stringtranslate.com

Глюон

Глюон ( / ˈɡl uːɒn / GLOO -он ) — это тип безмассовой элементарной частицы , которая опосредует сильное взаимодействие между кварками , выступая в качестве обменной частицы для взаимодействия. Глюоны являются безмассовыми векторными бозонами , поэтому имеют спин 1. [ 7] Благодаря сильному взаимодействию глюоны связывают кварки в группы согласно квантовой хромодинамике (КХД) , образуя адроны, такие как протоны и нейтроны .

Глюоны переносят цветовой заряд сильного взаимодействия, тем самым участвуя в сильном взаимодействии, а также опосредуя его. Поскольку глюоны переносят цветовой заряд, КХД сложнее анализировать по сравнению с квантовой электродинамикой (КЭД) , где фотон не несет электрического заряда.

Термин был придуман Мюрреем Гелл-Манном в 1962 году [a] для обозначения сходства с клеем , который удерживает ядро ​​вместе. [9] Вместе с кварками эти частицы были названы Ричардом Фейнманом партонами . [10]

Характеристики

Глюон является векторным бозоном , что означает, что он имеет спин 1. В то время как массивные частицы со спином 1 имеют три состояния поляризации, безмассовые калибровочные бозоны, такие как глюон, имеют только два состояния поляризации, поскольку калибровочная инвариантность требует, чтобы поляризация поля была поперечной направлению, в котором движется глюон. В квантовой теории поля ненарушенная калибровочная инвариантность требует, чтобы калибровочные бозоны имели нулевую массу. Эксперименты ограничивают массу покоя глюона (если таковая имеется) значением менее нескольких МэВ/ c2 . Глюон имеет отрицательную внутреннюю четность .

Подсчет глюонов

В КХД существует восемь независимых типов глюонов. Это не похоже на фотон КЭД или три W- и Z-бозона слабого взаимодействия .

Кроме того, глюоны подвержены явлениям цветового заряда . Кварки несут три типа цветового заряда; антикварки несут три типа антицвета. Глюоны несут как цвет, так и антицвет. Это дает девять возможных комбинаций цвета и антицвета в глюонах. Ниже приведен список этих комбинаций (и их схематические названия):

Диаграмма 2: e + e − → Υ(9.46) → 3g

Эти возможные комбинации являются только эффективными состояниями, а не фактическими наблюдаемыми цветовыми состояниями глюонов. Чтобы понять, как они комбинируются, необходимо более подробно рассмотреть математику цветового заряда.

Цветовые синглетные состояния

Стабильные сильно взаимодействующие частицы, включая адроны, такие как протон или нейтрон, наблюдаются как «бесцветные». Точнее, они находятся в состоянии «цветного синглета» и математически аналогичны состоянию спинового синглета . [11] Состояния допускают взаимодействие с другими цветными синглетами, но не с другими цветными состояниями; поскольку дальнодействующие глюонные взаимодействия не существуют, это иллюстрирует, что глюоны в синглетном состоянии также не существуют. [11]

Состояние цветного синглета: [11]

Если бы можно было измерить цвет штата, то были бы равные вероятности того, что он будет красным-антикрасным, синим-антисиним или зеленым-антизеленым.

Восемь цветовых состояний

Осталось восемь независимых цветовых состояний, соответствующих «восьми типам» или «восьми цветам» глюонов. Поскольку состояния можно смешивать, существует несколько способов представления этих состояний. Они известны как «цветовой октет», и обычно используемый список для каждого из них: [11]

Они эквивалентны матрицам Гелл-Манна . Критическая особенность этих восьми состояний заключается в том, что они линейно независимы , а также независимы от синглетного состояния, следовательно, 3 2  − 1 или 2 3 . Невозможно сложить любую комбинацию этих состояний, чтобы получить какие-либо другие. Также невозможно сложить их, чтобы сделать r r , g g , или b b [12] запрещенным синглетным состоянием . Существует много других возможных вариантов, но все они математически эквивалентны, по крайней мере одинаково сложны и дают одинаковые физические результаты.

Подробности теории групп

Формально, КХД является калибровочной теорией с калибровочной симметрией SU(3) . Кварки вводятся как спиноры в N f ароматах , каждый в фундаментальном представлении (триплет, обозначается 3 ) цветовой калибровочной группы SU(3). Глюоны являются векторами в присоединенном представлении (октеты, обозначаются 8 ) цвета SU(3). Для общей калибровочной группы число переносчиков силы, таких как фотоны или глюоны, всегда равно размерности присоединенного представления. Для простого случая SU( N ) размерность этого представления равна N 2 − 1 .

В теории групп нет цветных синглетных глюонов, поскольку квантовая хромодинамика имеет симметрию SU(3), а не U(3) . Нет известных априорных причин для предпочтения одной группы другой, но, как обсуждалось выше, экспериментальные данные подтверждают SU(3). [11] Если бы группа была U(3), девятый (бесцветный синглетный) глюон вел бы себя как «второй фотон», а не как остальные восемь глюонов. [13]

Заключение

Поскольку глюоны сами по себе несут цветовой заряд, они участвуют в сильных взаимодействиях. Эти глюон-глюонные взаимодействия ограничивают цветовые поля струноподобными объектами, называемыми « трубками потока », которые оказывают постоянную силу при растяжении. Благодаря этой силе кварки заключены в составные частицы, называемые адронами . Это эффективно ограничивает диапазон сильного взаимодействия до1 × 10 −15 метров, что примерно соответствует размеру нуклона . После определенного расстояния энергия трубки потока, связывающей два кварка, увеличивается линейно. На достаточно большом расстоянии становится энергетически выгоднее вытащить пару кварк-антикварк из вакуума, чем увеличивать длину трубки потока.

Одним из следствий свойства адронного удержания глюонов является то, что они не участвуют напрямую в ядерных силах между адронами. Посредниками сил для них являются другие адроны, называемые мезонами .

Хотя в нормальной фазе КХД отдельные глюоны не могут свободно перемещаться, предсказывается, что существуют адроны, которые полностью состоят из глюонов — называемые глюболами . Существуют также предположения о других экзотических адронах , в которых реальные глюоны (в отличие от виртуальных , обнаруженных в обычных адронах) были бы первичными компонентами. За пределами нормальной фазы КХД (при экстремальных температурах и давлениях) образуется кварк-глюонная плазма . В такой плазме нет адронов; кварки и глюоны становятся свободными частицами.

Экспериментальные наблюдения

Кварки и глюоны (цветные) проявляют себя, фрагментируясь на большее количество кварков и глюонов, которые в свою очередь адронизируются в обычные (бесцветные) частицы, коррелированные в струях. Как было показано на летних конференциях 1978 года [2] , детектор PLUTO на электрон-позитронном коллайдере DORIS ( DESY ) дал первое доказательство того, что адронные распады очень узкого резонанса Υ(9.46) можно интерпретировать как топологии событий с тремя струями, произведенными тремя глюонами. Позднее опубликованные анализы того же эксперимента подтвердили эту интерпретацию, а также природу глюона со спином = 1 [14] [15] (см. также воспоминание [2] и эксперименты PLUTO ).

Летом 1979 года при более высоких энергиях на электрон-позитронном коллайдере PETRA (DESY) снова наблюдались трехструйные топологии, теперь отчетливо видимые и интерпретируемые как тормозное излучение q q глюона экспериментами TASSO [16] MARK -J [17] и PLUTO [18] (позже в 1980 году также экспериментами JADE [19] ). Свойство спина = 1 глюона было подтверждено в 1980 году экспериментами TASSO [20] и PLUTO [21] (см. также обзор [3] ). В 1991 году последующий эксперимент на накопительном кольце LEP в ЦЕРНе снова подтвердил этот результат. [22]

Глюоны играют важную роль в элементарных сильных взаимодействиях между кварками и глюонами, описанных КХД и изученных, в частности, на электрон-протонном коллайдере HERA в DESY. Число и распределение импульсов глюонов в протоне (плотность глюонов) были измерены двумя экспериментами, H1 и ZEUS , [23] в 1996–2007 годах. Вклад глюонов в спин протона был изучен экспериментом HERMES в HERA. [24] Плотность глюонов в протоне (при адронном поведении) также была измерена. [25]

Цветовое ограничение подтверждается неудачей поиска свободных кварков (поиска дробных зарядов). Кварки обычно производятся парами (кварк + антикварк) для компенсации квантового цвета и ароматических чисел; однако в Фермилабе было показано одиночное производство топ-кварков . [b] [26] Глюбол не был продемонстрирован.

Деконфайнмент был заявлен в 2000 году в CERN SPS [27] в столкновениях тяжелых ионов , и он подразумевает новое состояние материи: кварк-глюонную плазму , менее интерактивную, чем в ядре , почти как в жидкости. Он был обнаружен на релятивистском коллайдере тяжелых ионов (RHIC) в Брукхейвене в 2004–2010 годах четырьмя одновременными экспериментами. [28] Состояние кварк-глюонной плазмы было подтверждено на Большом адронном коллайдере (LHC) CERN тремя экспериментами ALICE , ATLAS и CMS в 2010 году . [29]

Непрерывный ускоритель электронного пучка Лаборатории Джефферсона в Ньюпорт-Ньюсе, штат Вирджиния , [c] является одним из 10  объектов Министерства энергетики, проводящих исследования глюонов. Лаборатория Вирджинии конкурировала с другим объектом — Брукхейвенской национальной лабораторией на Лонг-Айленде, штат Нью-Йорк, — за финансирование строительства нового электрон-ионного коллайдера . [30] В декабре 2019 года Министерство энергетики США выбрало Брукхейвенскую национальную лабораторию для размещения электрон-ионного коллайдера . [31]

Смотрите также

Сноски

  1. ↑ В одном из интервью Гелл-Манн сказал, что, по его мнению, этот термин был придуман Эдвардом Теллером . [8]
  2. ^ Технически производство одного топ-кварка в Фермилабе по-прежнему подразумевает производство пары, но кварк и антикварк имеют разные вкусы.
  3. ^ Лаборатория Джефферсона — это прозвище Национального ускорительного комплекса Томаса Джефферсона в Ньюпорт-Ньюсе, штат Вирджиния .

Ссылки

  1. ^ М. Гелл-Манн (1962). "Симметрии барионов и мезонов" (PDF) . Physical Review . 125 (3): 1067–1084. Bibcode :1962PhRv..125.1067G. doi : 10.1103/PhysRev.125.1067 . Архивировано (PDF) из оригинала 2012-10-21. . Однако это не относится к цвету. Для современного использования см. Fritzsch, H.; Gell-Mann, M.; Leutwyler, H. (ноябрь 1973 г.). "Преимущества цветной октетной глюонной картины". Physics Letters B . 47 (4): 365–368. Bibcode :1973PhLB...47..365F. CiteSeerX 10.1.1.453.4712 . doi :10.1016/0370-2693(73)90625-4. 
  2. ^ abc BR Stella и H.-J. Meyer (2011). "Υ(9,46 ГэВ) и открытие глюона (критическое воспоминание о результатах PLUTO)". European Physical Journal H . 36 (2): 203–243. arXiv : 1008.1869v3 . Bibcode :2011EPJH...36..203S. doi :10.1140/epjh/e2011-10029-3. S2CID  119246507.
  3. ^ ab P. Söding (2010). «Об открытии глюона». European Physical Journal H. 35 ( 1): 3–28. Bibcode :2010EPJH...35....3S. doi :10.1140/epjh/e2010-00002-5. S2CID  8289475.
  4. ^ «Почему существует восемь глюонов?».
  5. ^ abc W.-M. Yao; et al. ( Particle Data Group ) (2006). "Обзор физики элементарных частиц". Journal of Physics G. 33 ( 1): 1. arXiv : astro-ph/0601168 . Bibcode : 2006JPhG...33....1Y. doi : 10.1088/0954-3899/33/1/001 .
  6. ^ F. Yndurain (1995). "Ограничения массы глюона". Physics Letters B. 345 ( 4): 524. Bibcode :1995PhLB..345..524Y. doi :10.1016/0370-2693(94)01677-5.
  7. ^ "Глюоны". hyperphysics.phy-astr.gsu.edu . Получено 2023-09-02 .
  8. ^ Гелл-Манн, Мюррей (1997). «Партон Фейнмана» (Интервью). № 131. Интервью Джеффри Уэста.
  9. ^ Гаристо, Дэниел (2017-05-30). "Краткая этимология физики элементарных частиц | журнал symmetry". Журнал Symmetry . Получено 2024-02-02 .
  10. ^ Фелтесс, Жоэль (2010). «Введение в функции распределения Партона». Scholarpedia . 5 (11): 10160. Bibcode : 2010SchpJ...510160F. doi : 10.4249/scholarpedia.10160 . ISSN  1941-6016.
  11. ^ abcde Дэвид Гриффитс (1987). Введение в элементарные частицы . John Wiley & Sons . стр. 280–281. ISBN 978-0-471-60386-3.
  12. ^ J. Baez. "Почему глюонов восемь, а не девять?". math.ucr.edu . Получено 13 сентября 2009 г.
  13. ^ «Почему существует только 8 глюонов?». Forbes .
  14. ^ Бергер, Ч. и др. (коллаборация PLUTO) (1979). "Анализ струй распада Υ(9.46) на заряженные адроны". Physics Letters B. 82 ( 3–4): 449. Bibcode : 1979PhLB...82..449B. doi : 10.1016/0370-2693(79)90265-X.
  15. ^ Бергер, Ч.; и др. (сотрудничество ПЛУТО) (1981). «Топология распада Υ». Zeitschrift für Physik C. 8 (2): 101. Бибкод : 1981ZPhyC...8..101B. дои : 10.1007/BF01547873. S2CID  124931350.
  16. ^ Brandelik, R.; et al. ( Сотрудничество TASSO ) (1979). "Доказательства планарных событий в аннигиляции e + e − при высоких энергиях". Physics Letters B. 86 ( 2): 243–249. Bibcode :1979PhLB...86..243B. doi :10.1016/0370-2693(79)90830-X.
  17. ^ Барбер, Д.П. и др. (сотрудничество MARK-J) (1979). «Открытие событий с тремя струями и проверка квантовой хромодинамики в PETRA». Physical Review Letters . 43 (12): 830. Bibcode : 1979PhRvL..43..830B. doi : 10.1103/PhysRevLett.43.830. S2CID  13903005.
  18. ^ Бергер, Ч.; и др. (коллаборация PLUTO) (1979). «Доказательства тормозного излучения глюона в аннигиляциях e + e − при высоких энергиях». Physics Letters B. 86 ( 3–4): 418. Bibcode :1979PhLB...86..418B. doi :10.1016/0370-2693(79)90869-4.
  19. ^ Bartel, W.; et al. (JADE collaboration) (1980). "Наблюдение плоских трехструйных событий при аннигиляции e+ e− и доказательства тормозного излучения глюона". Physics Letters B . 91 (1): 142. Bibcode :1980PhLB...91..142B. doi :10.1016/0370-2693(80)90680-2.
  20. ^ Brandelik, R.; et al. ( Сотрудничество TASSO ) (1980). «Доказательства наличия глюона со спином 1 в трехструйных событиях». Physics Letters B. 97 ( 3–4): 453. Bibcode : 1980PhLB...97..453B. doi : 10.1016/0370-2693(80)90639-5.
  21. ^ Бергер, Ч. и др. (коллаборация PLUTO) (1980). «Исследование многоструйных событий в аннигиляции e +  e − ». Physics Letters B. 97 ( 3–4): 459. Bibcode :1980PhLB...97..459B. doi :10.1016/0370-2693(80)90640-1.
  22. ^ Alexander, G.; et al. ( Сотрудничество OPAL ) (1991). "Измерение распределений трех струй, чувствительных к спину глюона в аннигиляциях e+ e− при √s = 91 ГэВ" (PDF) . Zeitschrift für Physik C. 52 ( 4): 543. Bibcode : 1991ZPhyC..52..543A. doi : 10.1007/BF01562326. S2CID  51746005.
  23. ^ Линдеман, Л.; и др. (коллаборации H1 и ZEUS) (1997). "Функции структуры протона и плотность глюонов в HERA". Nuclear Physics B: Proceedings Supplements . 64 (1): 179–183. Bibcode : 1998NuPhS..64..179L. doi : 10.1016/S0920-5632(97)01057-8.
  24. ^ "The spinning world at DESY". www-hermes.desy.de . Архивировано из оригинала 25 мая 2021 г. . Получено 26 марта 2018 г. .
  25. ^ Adloff, C.; et al. (H1 collaboration) (1999). "Charged partial crosssections in the photoproduction and extraction of the gluon density in the photon" (Сечения заряженных частиц в фоторождении и извлечении плотности глюона в фотоне). European Physical Journal C. 10 ( 3): 363–372. arXiv : hep-ex/9810020 . Bibcode : 1999EPJC...10..363H. doi : 10.1007/s100520050761. S2CID  17420774.
  26. ^ Чалмерс, М. (6 марта 2009 г.). "Лучший результат для Теватрона". Physics World . Получено 2 апреля 2012 г.
  27. ^ Абреу, MC; и др. (коллаборация NA50) (2000). «Доказательства деконфайнмента кварка и антикварка из паттерна подавления J/Ψ, измеренного в столкновениях Pb-Pb в CERN SpS». Physics Letters B. 477 ( 1–3): 28–36. Bibcode : 2000PhLB..477...28A. doi : 10.1016/S0370-2693(00)00237-9.
  28. ^ Овербай, Д. (15 февраля 2010 г.). «В коллайдере Брукхейвен ученые ненадолго нарушают закон природы» . The New York Times . Архивировано из оригинала 2 января 2022 г. Получено 2 апреля 2012 г.
  29. ^ "Эксперименты LHC приносят новое понимание изначальной вселенной" (пресс-релиз). ЦЕРН . 26 ноября 2010 г. Получено 20 ноября 2016 г.
  30. ^ Нолан, Джим (19 октября 2015 г.). «Государство надеется на большой экономический взрыв, поскольку Jeff Lab претендует на ионный коллайдер». Richmond Times-Dispatch . стр. A1, A7 . Получено 19 октября 2015 г. Эти подсказки могут дать ученым лучшее понимание того, что удерживает вселенную вместе.
  31. ^ "Министерство энергетики США выбирает Брукхейвенскую национальную лабораторию для размещения нового крупного объекта ядерной физики" (пресс-релиз). DOE . 9 января 2020 г. . Получено 1 июня 2020 г. .

Дальнейшее чтение

На Викискладе есть медиафайлы по теме «Глюоны» .

Внешние ресурсы