Глюон - Gluon

Глюон
Диаграмма Фейнмана Gluon Radiation.svg
Диаграмма 1: In Диаграммы Фейнмана, испускаемые глюоны представлены в виде спиралей. На этой диаграмме изображен аннигиляция электрона и позитрона.
СочинениеЭлементарная частица
СтатистикаБозонный
ВзаимодействияСильное взаимодействие
Символграмм
ТеоретическиМюррей Гелл-Манн (1962)[1]
Обнаруженныйе+е− → Υ (9,46) → 3g: 1978 при ДОРИС (DESY ) к PLUTO эксперименты (см. диаграмму 2 и вспомните[2])

и

е+е− → qqг: 1979 при ПЕТРА (DESY ) к ТАССО, МАРК-J, ДЖЕЙД и PLUTO эксперименты (см. диаграмму 1 и[3])
Типы8
Масса0 (теоретическое значение)[4]
< 1,3 мэВ / (экспериментальный предел) [5][4]
Электрический заряд0 е[4]
Цвет зарядаоктет (8 линейно независимый типы)
Вращение1
Стандартная модель из физика элементарных частиц
Стандартная модель элементарных частиц.svg

А глюон (/ˈɡлuɒп/) является элементарная частица который действует как обменная частица (или калибровочный бозон ) для сильная сила между кварки. Это аналог обмена фотоны в электромагнитная сила между двумя заряженные частицы.[6] Проще говоря, они «склеивают» кварки вместе, образуя адроны Такие как протоны и нейтроны.

Технически глюоны вектор калибровочные бозоны это посредник сильные взаимодействия из кварки в квантовая хромодинамика (QCD). Сами глюоны несут цветной заряд сильного взаимодействия. Это не похоже на фотон, который является посредником электромагнитное взаимодействие но отсутствует электрический заряд. Следовательно, глюоны участвуют в сильном взаимодействии, а не опосредуют его, что значительно усложняет анализ КХД, чем квантовая электродинамика (QED).

Характеристики

Глюон - это векторный бозон, что означает, как фотон, оно имеет вращение из 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 была поперечной направлению движения глюона. В квантовая теория поля, для непрерывной калибровочной инвариантности необходимо, чтобы калибровочные бозоны имели нулевую массу. Эксперименты ограничивают массу покоя глюона величиной менее нескольких мэВ /c2. Глюон имеет отрицательную внутреннюю паритет.

Подсчет глюонов

В отличие от сингла фотон QED или трех W- и Z-бозоны из слабое взаимодействие, в КХД существует восемь независимых типов глюонов.

Это может быть трудно понять интуитивно. Кварки нести три типа цветной заряд; антикварки несут три типа антицвета. Глюоны можно рассматривать как несущие как цвет, так и антицвет. Это дает девять возможный сочетания цвета и антицвета в глюонах. Ниже приводится список этих комбинаций (и их схематические названия):

  • красно-красный (), красно-зелёный (), красно-голубой ()
  • зеленовато-красный (), зелено-антизеленый (), зелено-антисиний ()
  • сине-красный (), сине-зелёный (), сине-антисиний ()
Диаграмма 2: e+е− → Υ (9,46) → 3g

Это не действительный цветовые состояния наблюдаемых глюонов, а скорее эффективный состояния. Чтобы правильно понять, как они сочетаются, необходимо более подробно рассмотреть математику цветового заряда.

Цветовые синглетные состояния

Часто говорят, что стабильные сильно взаимодействующие частицы (например, протон и нейтрон, т. Е. адроны ), наблюдаемые в природе, являются «бесцветными», но, точнее говоря, они находятся в «цветном синглетном» состоянии, которое математически аналогично вращение синглетное состояние.[7] Такие состояния допускают взаимодействие с другими цветовыми синглетами, но не с другими цветовыми состояниями; поскольку дальнодействующие глюонные взаимодействия не существуют, это показывает, что глюонов в синглетном состоянии также не существует.[7]

Состояние цветового синглета:[7]

Другими словами, если бы можно было измерить цвет состояния, были бы равные вероятности, что это красный анти-красный, синий-анти-синий или зеленый-анти-зеленый.

Восемь цветов

Остается восемь оставшихся независимых состояний цвета, которые соответствуют «восьми типам» или «восьми цветам» глюонов. Поскольку состояния могут быть смешаны вместе, как обсуждалось выше, существует много способов представления этих состояний, которые известны как «цветовой октет». Один из наиболее часто используемых списков:[7]

      

Они эквивалентны Матрицы Гелл-Манна. Важнейшей особенностью этих конкретных восьми состояний является то, что они линейно независимый, а также не зависит от синглетного состояния, поэтому 32 - 1 или 23. Невозможно добавить любую комбинацию этих состояний для создания любого другого, а также невозможно добавить их, чтобы сделать rр, граммграмм, или bб[8] запрещенный синглетное состояние. Есть много других возможных вариантов, но все они математически эквивалентны, по крайней мере, одинаково сложны и дают одинаковые физические результаты.

Детали теории групп

Технически КХД - это калибровочная теория с SU (3) калибровочная симметрия. Кварки представлены как спиноры в Nж ароматы, каждый в фундаментальное представление (триплет, обозначенный 3) цветовой калибровочной группы SU (3). Глюоны - это векторы в присоединенное представительство (октеты, обозначенные 8) цвета SU (3). Для генерала группа датчиков число носителей силы (таких как фотоны или глюоны) всегда равно размерности присоединенного представления. В простом случае SU (N) размерность этого представления равна N2 − 1.

В терминах теории групп утверждение об отсутствии цветных синглетных глюонов - это просто утверждение, что квантовая хромодинамика имеет SU (3), а не U (3) симметрия. Нет никаких известных априори причина того, что одна группа предпочтительнее другой, но, как обсуждалось выше, экспериментальные данные подтверждают SU (3).[7] Группа U (1) для электромагнитного поля объединяется с немного более сложной группой, известной как SU (2) - S означает «специальный», что означает, что соответствующие матрицы имеют определитель +1 в дополнение к унитарности.

Заключение

Основная статья: Ограничение цвета

Поскольку сами глюоны несут цветной заряд, они участвуют в сильных взаимодействиях. Эти глюон-глюонные взаимодействия ограничивают цветовые поля струнными объектами, называемыми "флюсовые трубки ", которые при растяжении создают постоянную силу. Благодаря этой силе, кварки находятся ограниченный в композитные частицы называется адроны. Это эффективно ограничивает диапазон сильного взаимодействия до 1×10−15 метров, примерно размером с атомное ядро. На определенном расстоянии энергия магнитной трубки, связывающей два кварка, линейно возрастает. На достаточно большом расстоянии становится энергетически более выгодным вытягивать кварк-антикварковую пару из вакуума, чем увеличивать длину магнитной трубки.

Глюоны также обладают этим свойством заключаться в адронах. Одним из следствий этого является то, что глюоны не участвуют напрямую в ядерные силы между адронами. Силовыми посредниками для них являются другие адроны, называемые мезоны.

Хотя в нормальная фаза КХД одиночные глюоны не могут свободно перемещаться, предсказывается, что существуют адроны, полностью состоящие из глюонов - так называемые глюболы. Есть предположения и о других экзотические адроны в котором реальные глюоны (в отличие от виртуальный найденные в обычных адронах) будут первичными составляющими. За пределами нормальной фазы КХД (при экстремальных температурах и давлениях), кварк-глюонная плазма формы. В такой плазме нет адронов; кварки и глюоны становятся свободными частицами.

Экспериментальные наблюдения

Кварки и глюоны (цветные) проявляются в виде фрагментации на большее количество кварков и глюонов, которые, в свою очередь, адронизируются в нормальные (бесцветные) частицы, коррелированные в струях. Как показали летние конференции 1978 г.,[2] то Детектор PLUTO на электрон-позитронном коллайдере ДОРИС (DESY ) дало первое свидетельство того, что адронные распады очень узкого резонанса Υ (9.46) можно интерпретировать как трехструйное мероприятие топологии, образованные тремя глюонами. Позже опубликованные результаты того же эксперимента подтвердили эту интерпретацию, а также природу глюона со спином 1.[9][10] (см. также воспоминание[2] и PLUTO эксперименты ).

Летом 1979 г. при более высоких энергиях на электрон-позитронном коллайдере ПЕТРА (DESY) снова наблюдались трехструйные топологии, теперь интерпретируемые как qq глюон тормозное излучение, теперь хорошо видно ТАССО,[11] МАРК-J[12] и эксперименты PLUTO[13] (позже в 1980 г. ДЖЕЙД[14]). Спин 1 глюона был подтвержден ТАССО в 1980 г.[15] и эксперименты PLUTO[16] (см. также обзор[3]). В 1991 году последующий эксперимент на LEP кольцо для хранения в ЦЕРН еще раз подтвердил этот результат.[17]

Глюоны играют важную роль в элементарных сильных взаимодействиях между кварки и глюоны, описываемые КХД и особенно изучаемые на электрон-протонном коллайдере ГЕРА в DESY. Распределение числа и импульсов глюонов в протон (плотность глюонов) были измерены в двух экспериментах, H1 и ЗЕВС,[18] в 1996–2007 гг. Глюонный вклад в спин протона изучался ГЕРМЕС эксперимент в HERA.[19] Плотность глюонов в протоне (когда он ведет себя адронно) также была измерена.[20]

Ограничение цвета подтверждается отказом свободный кварк поиски (поиски дробных начислений). Кварки обычно производятся парами (кварк + антикварк), чтобы компенсировать квантовый цвет и ароматические числа; однако в Фермилаб разовое производство топ-кварки было показано (технически это все еще связано с рождением пар, но кварк и антикварк имеют разный вкус).[21] Нет глюбол был продемонстрирован.

Деконфайнмент был заявлен в 2000 г. в ЦЕРН СПС[22] в столкновения тяжелых ионов, а это означает новое состояние материи: кварк-глюонная плазма, менее взаимодействующие, чем в ядро, почти как в жидкости. Он был найден в Релятивистский коллайдер тяжелых ионов (RHIC) в Брукхейвене в 2004–2010 годах с помощью четырех одновременных экспериментов.[23] Состояние кварк-глюонной плазмы подтверждено на ЦЕРН Большой адронный коллайдер (БАК) по трем экспериментам Алиса, АТЛАС и CMS в 2010.[24]

В Ускоритель непрерывного электронного пучка в Джефферсон Лаборатория, также называемый Национальный ускорительный комплекс Томаса Джефферсона, в Ньюпорт-Ньюс, Вирджиния, является одним из 10 Департамент энергетики объекты, занимающиеся исследованиями глюонов. Лаборатория Вирджинии конкурировала с другим учреждением на Лонг-Айленде, штат Нью-Йорк, Брукхейвенская национальная лаборатория, на средства на строительство нового электронно-ионный коллайдер.[25] В декабре 2019 года Министерство энергетики США выбрало Брукхейвенская национальная лаборатория провести электронно-ионный коллайдер.[26]

Смотрите также

Рекомендации

  1. ^ М. Гелл-Манн (1962). «Симметрии барионов и мезонов» (PDF). Физический обзор. 125 (3): 1067–1084. Bibcode:1962ПхРв..125.1067Г. Дои:10.1103 / PhysRev.125.1067.. Однако это безотносительно к цвету. Для современного использования см. Fritzsch, H .; Gell-Mann, M .; Leutwyler, H. (ноябрь 1973 г.). «Преимущества цветного октетно-глюонного изображения». Письма по физике B. 47 (4): 365–368. CiteSeerX  10.1.1.453.4712. Дои:10.1016/0370-2693(73)90625-4.
  2. ^ а б c Б.Р. Стелла и Х.-Дж. Мейер (2011). «(9,46 ГэВ) и открытие глюонов (критическое воспоминание о результатах PLUTO)». Европейский физический журнал H. 36 (2): 203–243. arXiv:1008.1869v3. Bibcode:2011EPJH ... 36..203С. Дои:10.1140 / epjh / e2011-10029-3.
  3. ^ а б П. Сёдинг (2010). «Об открытии глюона». Европейский физический журнал H. 35 (1): 3–28. Bibcode:2010EPJH ... 35 .... 3S. Дои:10.1140 / epjh / e2010-00002-5.
  4. ^ а б c W.-M. Яо; и другие. (Группа данных о частицах ) (2006). «Обзор физики элементарных частиц» (PDF). Журнал физики G. 33 (1): 1. arXiv:Astro-ph / 0601168. Bibcode:2006JPhG ... 33 .... 1л. Дои:10.1088/0954-3899/33/1/001.
  5. ^ Ф. Индурайн (1995). «Пределы массы глюона». Письма по физике B. 345 (4): 524. Bibcode:1995ФЛБ..345..524Г. Дои:10.1016/0370-2693(94)01677-5.
  6. ^ C.R. Nave. "Сила цвета". Гиперфизика. Государственный университет Джорджии, Кафедра физики. Получено 2012-04-02.
  7. ^ а б c d е Дэвид Гриффитс (1987). Введение в элементарные частицы. Джон Уайли и сыновья. С. 280–281. ISBN  978-0-471-60386-3.
  8. ^ J. Baez. "Почему глюонов восемь, а не девять?". Получено 2009-09-13. Цитировать журнал требует | журнал = (помощь)
  9. ^ Berger, Ch .; и другие. (Коллаборация PLUTO) (1979). «Струйный анализ распада (9,46) на заряженные адроны». Письма по физике B. 82 (3–4): 449. Bibcode:1979ФЛБ ... 82..449Б. Дои:10.1016 / 0370-2693 (79) 90265-Х.
  10. ^ Berger, Ch .; и другие. (Коллаборация PLUTO) (1981). «Топология распада». Zeitschrift für Physik C. 8 (2): 101. Bibcode:1981ZPhyC ... 8..101B. Дои:10.1007 / BF01547873.
  11. ^ Бранделик, Р .; и другие. (Сотрудничество ТАССО ) (1979). "Свидетельства плоских событий в электронной+е− ннигиляция при высоких энергиях ». Письма по физике B. 86 (2): 243–249. Bibcode:1979ФЛБ ... 86..243Б. Дои:10.1016 / 0370-2693 (79) 90830-Х.
  12. ^ Barber, D.P .; и другие. (Коллаборация MARK-J) (1979). «Открытие трехструйных событий и проверка квантовой хромодинамики на ПЕТРА». Письма с физическими проверками. 43 (12): 830. Bibcode:1979ПхРвЛ..43..830Б. Дои:10.1103 / PhysRevLett.43.830. S2CID  13903005.
  13. ^ Berger, Ch .; и другие. (Коллаборация PLUTO) (1979). "Доказательства тормозного излучения глюонов в электронной+е− Аннигиляции при высоких энергиях ». Письма по физике B. 86 (3–4): 418. Bibcode:1979ФЛБ ... 86..418Б. Дои:10.1016/0370-2693(79)90869-4.
  14. ^ Bartel, W .; и другие. (Коллаборация JADE) (1980). «Наблюдение планарных трехструйных событий в e+е− аннигиляция и свидетельство тормозного излучения глюонов ". Письма по физике B. 91 (1): 142. Bibcode:1980ФЛБ ... 91..142Б. Дои:10.1016/0370-2693(80)90680-2.
  15. ^ Бранделик, Р .; и другие. (Сотрудничество ТАССО ) (1980). «Свидетельства глюона со спином 1 в трехструйных событиях». Письма по физике B. 97 (3–4): 453. Bibcode:1980ФЛБ ... 97..453Б. Дои:10.1016/0370-2693(80)90639-5.
  16. ^ Berger, Ch .; и другие. (Коллаборация PLUTO) (1980). "Исследование многоструйных событий в электронной+е− аннигиляция ". Письма по физике B. 97 (3–4): 459. Bibcode:1980ФЛБ ... 97..459Б. Дои:10.1016/0370-2693(80)90640-1.
  17. ^ Александр, Г .; и другие. (OPAL сотрудничество ) (1991). «Измерение трехструйных распределений, чувствительных к спину глюона в e+е− Аннигиляции при √s = 91 ГэВ ». Zeitschrift für Physik C. 52 (4): 543. Bibcode:1991ZPhyC..52..543A. Дои:10.1007 / BF01562326.
  18. ^ Lindeman, L .; и другие. (Сотрудничество H1 и ZEUS) (1997). «Структурные функции протонов и плотность глюонов в HERA». Nuclear Physics B: Proceedings Supplements. 64 (1): 179–183. Bibcode:1998НуФС..64..179Л. Дои:10.1016 / S0920-5632 (97) 01057-8.
  19. ^ «Вращающийся мир DESY». www-hermes.desy.de. Получено 26 марта 2018.
  20. ^ Adloff, C .; и другие. (Коллаборация H1) (1999). «Сечения заряженных частиц при фоторождении и извлечении плотности глюонов в фотоне». Европейский физический журнал C. 10 (3): 363–372. arXiv:hep-ex / 9810020. Bibcode:1999EPJC ... 10..363H. Дои:10.1007 / с100520050761.
  21. ^ Чалмерс, М. (6 марта 2009 г.). «Лучший результат для Тэватрон». Мир физики. Получено 2 апреля 2012.
  22. ^ Abreu, M.C .; и другие. (Сотрудничество NA50) (2000). "Свидетельства деконфайнмента кварка и антикварка из модели подавления J /, измеренной в столкновениях Pb-Pb на CERN SpS". Письма по физике B. 477 (1–3): 28–36. Bibcode:2000ФЛБ..477 ... 28А. Дои:10.1016 / S0370-2693 (00) 00237-9.
  23. ^ Овербай, Д. (15 февраля 2010 г.). "На Брукхейвенском коллайдере ученые ненадолго нарушают закон природы". Нью-Йорк Таймс. Получено 2 апреля 2012.
  24. ^ «Эксперименты на LHC открывают новое понимание изначальной вселенной» (Пресс-релиз). ЦЕРН. 26 ноября 2010 г.. Получено 20 ноября 2016.
  25. ^ Нолан, Джим (19 октября 2015 г.). «Государство надеется на большой экономический взрыв, поскольку Джефф Лаб предлагает ионный коллайдер». Ричмонд Таймс-Диспетч. стр. A1, A7. Получено 19 октября 2015. Эти подсказки могут помочь ученым лучше понять, что скрепляет Вселенную.
  26. ^ «Министерство энергетики США выбирает Брукхейвенскую национальную лабораторию для размещения крупного нового объекта ядерной физики». DOE. 9 января 2020 г.. Получено 1 июня 2020.

дальнейшее чтение