Глюбол - Glueball

Стандартная модель из физика элементарных частиц
Стандартная модель элементарных частиц.svg

В физика элементарных частиц, а глюбол (также глюоний, глюонный шар) - гипотетическая композиция частица.[1] Он состоит исключительно из глюон частицы, без валентности кварки. Такое состояние возможно, потому что глюоны несут цветной заряд и испытать сильное взаимодействие между собой. Глюболы чрезвычайно сложно идентифицировать в ускорители частиц, потому что они смешивание с обычным мезон состояния.[2]

Теоретические расчеты показывают, что глюболы должны существовать в диапазонах энергий, доступных для тока. коллайдер технологии. Однако из-за вышеупомянутой трудности (среди прочего) они до сих пор не наблюдались и не идентифицировались с уверенностью,[3] хотя феноменологические расчеты показали, что экспериментально идентифицированный кандидат в глюбол, обозначенный , обладает свойствами, соответствующими ожидаемым от Стандартная модель глюбол.[4]

Предсказание о существовании глюболов - одно из самых важных предсказаний Стандартной модели физики элементарных частиц, которое еще не подтверждено экспериментально.[5] Глюболлы - единственные частицы, предсказываемые Стандартной моделью с полным угловым моментом (J) (иногда называемым «собственным спином»), который может быть 2 или 3 в их основных состояниях.

Характеристики

В принципе, теоретически возможно точно рассчитать все свойства глюболов и получить их непосредственно из уравнений и фундаментальных физических констант квантовая хромодинамика (КХД) без дополнительных экспериментальных данных. Таким образом, предсказанные свойства этих гипотетических частиц могут быть описаны с мельчайшими подробностями, используя только физику Стандартной модели, которая получила широкое признание в литературе по теоретической физике. Но существует значительная неопределенность в измерении некоторых соответствующих ключевых физических констант, а расчеты КХД настолько сложны, что решения этих уравнений почти всегда являются численными приближениями (достигаются несколькими очень разными методологиями). Это может привести к изменению теоретических предсказаний свойств глюболов, таких как масса и коэффициенты ветвления при распадах глюболов.

Составляющие частицы и цветовой заряд

Теоретические исследования глюболов были сосредоточены на глюболах, состоящих либо из двух глюонов, либо из трех глюонов, по аналогии с мезоны и барионы у которых есть два и три кварки соответственно. Как и в случае мезонов и барионов, глюболы были бы QCD цветовой заряд нейтральный. В барионное число глюбола равна нулю.

Полный угловой момент

Два глюонных глюбола могут иметь полный угловой момент (J) из 0 (которые являются скаляр или же псевдоскаляр ) или 2 (тензор ). Три глюонных глюбола могут иметь полный угловой момент (Дж), равный 1 (векторный бозон ) или 3. Все глюболы обладают целым полным угловым моментом, что означает, что они бозоны скорее, чем фермионы.

Глюболы - единственные частицы, которые предсказывает Стандартная модель с полным угловым моментом (Дж) (иногда называемый "внутреннее вращение "), которые могут быть 2 или 3 в своих основных состояниях, хотя наблюдались мезоны, состоящие из двух кварков с J = 0 и J = 1 с аналогичными массами, а возбужденные состояния других мезонов могут иметь эти значения полного углового момента.

Электрический заряд

Все глюболы будут иметь электрический заряд нуля, поскольку сами глюоны не имеют электрического заряда.

Масса и паритет

Квантовая хромодинамика предсказывает, что глюболы будут массивными, несмотря на то, что сами глюоны имеют нулевую массу покоя в Стандартной модели. Глюболы со всеми четырьмя возможными комбинациями квантовых чисел P (паритет ) и C (C паритет ) для каждого возможного полного углового момента были рассмотрены, создавая по крайней мере пятнадцать возможных состояний глюбола, включая возбужденные состояния глюбола, которые имеют одинаковые квантовые числа, но имеют разные массы, причем самые легкие состояния имеют массы всего 1,4 ГэВ / c.2 (для глюбола с квантовыми числами J = 0, P = +, C = +), а самые тяжелые состояния с массами почти 5 ГэВ / c2 (для глюбола с квантовыми числами J = 0, P = +, C = -).[3]

Эти массы того же порядка величины, что и массы многих экспериментально наблюдаемых мезоны и барионы, а также массам тау лептон, очаровательный кварк, нижний кварк, немного водород изотопы, а некоторые гелий изотопы.

Каналы стабильности и распада

Подобно тому, как все мезоны и барионы Стандартной модели, кроме протона, нестабильны изолированно, Стандартная модель предсказывает, что все глюболы будут нестабильными изолированно, с различными QCD расчеты, предсказывающие полную ширину распада (которая функционально связана с периодом полураспада) для различных состояний глюбола. Расчеты КХД также делают прогнозы относительно ожидаемых структур распада глюболов.[6][7] Например, глюболы не будут иметь радиационного или двухфотонного распада, но будут распадаться на пары пионы, пара каоны, или пары эта-мезонов.[6]

Практическое влияние на макроскопическую физику низких энергий

Диаграмма Фейнмана глюбола (грамм) распадаясь на два пиона (
π
). Такие распады помогают изучению и поиску глюболов.[8]

Поскольку глюболы Стандартной модели настолько эфемерны (почти сразу же распадаются на более стабильные продукты распада) и генерируются только в физике высоких энергий, глюболы возникают только синтетическим путем в естественных условиях на Земле, которые люди могут легко наблюдать. Они примечательны с научной точки зрения главным образом потому, что являются проверяемым предсказанием Стандартной модели, а не из-за феноменологического воздействия на макроскопические процессы или их инженерное дело Приложения.

Моделирование КХД на решетке

Решетка КХД дает возможность теоретически и из первых принципов изучить спектр глюболов. Некоторые из первых величин, рассчитанных с использованием решетки QCD Методами (в 1980 г.) были оценки массы глюбола.[9] Морнингстар и Пирдон[10] вычислил в 1999 г. массы легчайших глюболов в КХД без динамических кварков. Три самых низких состояния представлены в таблице ниже. Присутствие динамических кварков немного изменило бы эти данные, но также усложнило бы вычисления. С тех пор расчеты в рамках КХД (правила решетки и сумм) показывают, что самый легкий глюбол представляет собой скаляр с массой в диапазоне примерно 1000–1700 МэВ.[3]

J п 'Cмасса
0++1730 ±80 МэВ
2++2400 ± 120 МэВ
0−+2590 ± 130 МэВ

Экспериментальные кандидаты

Эксперименты с ускорителями частиц часто позволяют идентифицировать нестабильные композитные частицы и приписывать им массы с точностью примерно до 10 МэВ / c.2, не имея возможности немедленно назначить наблюдаемой частице все свойства этой частицы. Было обнаружено множество таких частиц, хотя частицы, обнаруженные в одних экспериментах, но не в других, можно рассматривать как сомнительные. Некоторые из возможных резонансов частиц, которые могли бы быть глюболами, хотя доказательства не являются окончательными, включают следующее:

Векторные, псевдовекторные или тензорные кандидаты в глюбол

  • X (3020), наблюдаемый БаБар коллаборация является кандидатом на возбужденное состояние 2− +, 1 + - или 1−− состояний глюбола с массой около 3,02 ГэВ / c2.[5]

Кандидаты в скалярный глюбол

  • ж0(500), также известный как σ - свойства этой частицы, возможно, соответствуют глюболу с массой 1000 МэВ или 1500 МэВ.[3]
  • ж0(980) - структура этой составной частицы соответствует существованию легкого глюбола.[3]
  • ж0(1370) - существование этого резонанса оспаривается, но он является кандидатом в состояние смешивания глюбола и мезона.[3]
  • ж0(1500) - существование этого резонанса неоспоримо, но его статус как состояния смешения глюбола и мезона или чистого глюбола не установлен.[3]
  • ж0(1710) - существование этого резонанса неоспоримо, но его статус как состояния смешения глюбола и мезона или чистого глюбола не установлен.[3]

Другие кандидаты

  • Глюоновые струи на LEP Эксперимент показывает, что электромагнитно нейтральные кластеры на 40% превышают теоретические ожидания, что свидетельствует о вероятности присутствия электромагнитно нейтральных частиц в средах, богатых глюонами, таких как глюболы.[3]

Многие из этих кандидатов были предметом активного расследования не менее восемнадцати лет.[6] В GlueX Эксперимент был специально разработан для получения более убедительных экспериментальных доказательств существования глюболов.[11]

Смотрите также

Рекомендации

  1. ^ Фрэнк Клоуз и Филип Р. Пейдж, «Глюболлы», Scientific American, т. 279 нет. 5 (ноябрь 1998), стр. 80–85
  2. ^ Винсент Матье; Николай Кочелев; Висенте Венто (2009). «Физика глюболов». Международный журнал современной физики E. 18 (1): 1–49. arXiv:0810.4453. Bibcode:2009IJMPE..18 .... 1M. Дои:10.1142 / S0218301309012124. S2CID  119229404.Glueball на arxiv.org
  3. ^ а б c d е ж грамм час я Вольфганг Охс (2013). «Статус глюболов». Журнал физики G. 40 (4): 043001. arXiv:1301.5183. Bibcode:2013JPhG ... 40d3001O. Дои:10.1088/0954-3899/40/4/043001. S2CID  73696704.
  4. ^ Фредерик Брюннер; Антон Ребхан (21 сентября 2015 г.). «Нехиральное усиление скалярного распада глюбола в модели Виттена-Сакаи-Сугимото». Phys. Rev. Lett. 115 (13): 131601. arXiv:1504.05815. Bibcode:2015ПхРвЛ.115м1601Б. Дои:10.1103 / PhysRevLett.115.131601. PMID  26451541. S2CID  14043746.
  5. ^ а б Hsiao, Y.K .; Гэн, C.Q. (2013). «Идентификация глюбола при 3,02 ГэВ в барионных B-распадах». Письма по физике B. 727 (1–3): 168–171. arXiv:1302.3331. Bibcode:2013ФЛБ..727..168Х. Дои:10.1016 / j.physletb.2013.10.008. S2CID  119235634.
  6. ^ а б c Уолтер Таки, "В поисках глюболов" (1996) http://www.slac.stanford.edu/cgi-wrap/getdoc/ssi96-006.pdf
  7. ^ Эшраим, Валаа I .; Яновский, Станислав (2013). «Коэффициенты ветвления псевдоскалярного глюбола с массой 2,6 ГэВ». arXiv:1301.3345. Цитировать журнал требует | журнал = (помощь)
  8. ^ Т. Коэн; Ф. Дж. Льянес-Эстрада; Дж. Р. Пелаес; Х. Руис де Эльвира (2014). «Необычные связи легких мезонов и 1 / Nc-расширение». Физический обзор D. 90 (3): 036003. arXiv:1405.4831. Bibcode:2014PhRvD..90c6003C. Дои:10.1103 / PhysRevD.90.036003. S2CID  53313057.
  9. ^ Б. Берг. Плакет-плакетные корреляции в калибровочной теории решетки su (2). Phys. Lett., B97: 401, 1980.
  10. ^ Колин Дж. Морнингстар; Майк Пирдон (1999). «Спектр глюбола из исследования анизотропной решетки». Физический обзор D. 60 (3): 034509. arXiv:геп-лат / 9901004. Bibcode:1999ПхРвД..60с4509М. Дои:10.1103 / PhysRevD.60.034509. S2CID  18787544.
  11. ^ "Физика GlueX".