Gluon

Gluon  ( g )

Feynmanův diagram e−
E+
 anihilace se vznikem kvarku q a antikvarku q a emisí gluonu g [1]
Sloučenina elementární částice
Rodina boson
Skupina kalibrační boson [2]
Účastní se interakcí silný ,
gravitační
Antičástice sám (pro neutrální gluony)
Počet typů osm
Hmotnost 0 (teoretická hodnota) [3]
< 1,3 MeV/ s 2 (experimentální limit) [4] [5]
Teoreticky oprávněné Gell-Mann , Zweig ( 1964 )
Objevil 1979
kvantová čísla
Elektrický náboj 0 [3]
barevný náboj
Roztočit 1 [6 ]
Vnitřní parita −
Počet stavů otáčení 2
Izotopový spin 0
 Mediální soubory na Wikimedia Commons

Gluon (z angl .  gluon , z lepidla  — lepidlo) — elementární bezhmotná částice , fundamentální boson [7] , vektorové pole kvantum , nositel silné interakce [8] [9] .

Jednoduše řečeno, gluony jsou bosony vektorového kalibru , které jsou přímo zodpovědné za silnou barevnou interakci mezi kvarky v kvantové chromodynamice (QCD) [9] . Na rozdíl od fotonů v kvantové elektrodynamice (QED), které jsou elektricky neutrální a vzájemně neinteragují [10] , gluony samy o sobě nesou barevný náboj, a proto silnou interakci nejen nesou, ale také se na ní podílejí. Existuje celkem 8 nezávislých typů gluonů, což činí QCD mnohem obtížnějším na pochopení než QED.

Vlastnosti

Gluony jsou nositeli silné interakce mezi kvarky, které „slepují“ kvarky do hadronů . Kvantová čísla kvarků - elektrický náboj, baryonové číslo , příchuť - zůstávají během emise a absorpce gluonů nezměněny, zatímco barva kvarků se mění [11] .

Gluon je kvantum vektorového (tj. s jednotkovým spinem a zápornou vnitřní paritou ) pole v QCD . Nemá žádnou hmotnost . V kvantové teorii pole, nepřerušená měřidla invariance vyžaduje to měřidlo boson být bezhmotný [3] (experiment limituje gluon hmotu shora k ne více než nemnoho MeV [4] ). Všechny tyto vlastnosti (stejně jako nulový elektrický náboj ) jej přibližují fotonu.

Zatímco masivní vektorové částice mají tři polarizační stavy, bezhmotné vektorové kalibrační bosony, jako je gluon a foton, mají pouze dvě možné polarizace v důsledku kalibrační invariance vyžadující příčnou polarizaci.

Gluon má nulový isospin . Bezbarvé gluony jsou vlastní antičástice , tedy skutečně neutrální částice . Gluony, stejně jako kvarky, nejsou v přirozených podmínkách ve volném stavu, tvoří vázané stavy - hadrony [12] .

Historie

M. Gell-Mann a rakouský fyzik G. Zweig v roce 1964 předložili hypotézu, že všechny hadrony s baryonovým číslem B = 0 (mezony) se skládají z dvojice „kvark a antikvark“ a s číslem B = 1 ( baryony) – jsou tvořeny třemi kvarky. Nezávisle na sobě hypotézu, že každý kvark má tři různé barevné stavy, vyslovili v roce 1965 sovětští fyzici N. N. Bogolyubov , B. V. Struminsky , A. N. Tavkhelidze a Američan M. Khan a I. Nambu . V poněkud jiné podobě v roce 1964 podobnou hypotézu vyslovil americký fyzik O. Grinberg [13] .

Syntéza myšlenek o barvě kvarků na počátku 70. let 20. století dala vzniknout kvantové teorii silné interakce barevného gluonu a kvarkových polí - kvantová chromodynamika .

První sérii prací na toto téma, založenou na myšlenkách symetrie a invariance v systému částic a polí, publikovali Gell-Man, Murry , Harald Fritsch (německy Harald Fritzsch), J. Zweig [14] [ 15] .

Koncept kvarkového omezení se objevil kvůli nemožnosti jejich pozorování ve volné formě. Je nemožné oddělit kvark od protonu, protože mezi kvarky působí velmi velká vazebná síla. Pokud byste se je například pokusili „vychovat“, v lidských jednotkách by bylo nutné překonat odpor rovný 14 tunám. Tato síla se vzdáleností neklesá a zůstává stále stejná. Teoretická fyzika nazývá tento silový řetězec , který je natažen mezi kvarky. Pokud budete kvarky tlačit dál a dál, v určitém okamžiku řetězec praskne a vzniknou mezony , které se skládají z kvarků a antikvarků. "Barva" kvarku není pozorována, nemá žádný fyzikální význam. Pozorována je pouze změna "barvy" kvarku z bodu do bodu. Každý gluon je něco, co se nachází přímo v protonu. „Život“ protonu v čase je reprezentován jako interakce tří kvarků prostřednictvím osmi druhů gluonů [16] .

Po zrychlení a srážce protonů začne gluonové pole "růst" a v určitém okamžiku se zlomí a v bodě zlomu se zrodí pár kvark-antikvark. Gluonová pole se také mohou srazit a vytvořit páry „quark-antiquark“ [17] .

Kvark-gluonová hmota

Gluony jsou nedílnou součástí kvark-gluonové hmoty. Výzkum ve fyzice z hlediska struktury hmoty je podstatou studia kvark-gluonového plazmatu. Fyzici se snaží vyřešit základní vědecký problém, který je před nimi postaven: z čeho se skládá struktura hmoty , jak vznikla a vyvíjela se baryonická hmota Vesmíru, která je základem hmoty, protože se z ní skládají hvězdy, planety a živé bytosti. Základní síly silné interakce — gluony — jsou spojovacím článkem v procesu štěpení a syntézy objektů jaderné fyziky [18] [19] .

V důsledku silné interakce se nukleony (protony a neutrony) přeměňují na baryony skládající se ze tří kvarků (bylo objeveno více než 100 baryonů). Hadrony se skládají z kvarků, antikvarků a gluonů. Nestabilní částice ze stejného počtu kvarků a antikvarků tvoří mezony (kvark-antikvark). Kvarky a gluony jsou „uzamčeny“ v hadronech. Volné kvarky a gluony vyřazené při silné interakci z jader za určitých podmínek ( dekonfinace kvarků a gluonů) procházejí procesem hadronizace , který přechází do hadronových jetů (jet). Tento stav hmoty se nazývá kvark-gluonové plazma [18] [20] .

Kvark-gluonové plazma se vyznačuje extrémně vysokou teplotou a vysokou hustotou energie přesahující určitou kritickou hodnotu. Experimenty v oblasti studia silných interakcí provádějí vědci na urychlovačích supervysokoenergetických jader . Vývoj a vlastnosti kvark-gluonové hmoty studuje moderní fyzika. Vesmír se pravděpodobně skládal z takové látky několik okamžiků po vzniku ( Velký třesk ) [18] . Fyzika kvark-gluonové hmoty je jednou z klíčových oblastí moderní fyziky, která kombinuje fyziku elementárních částic, jadernou fyziku a kosmologii [18] [21] .

Numerologie gluonů

Na rozdíl od jediného fotonu v QED nebo tří W- a Z - bosonů , které nesou slabé interakce , existuje v QCD 8 nezávislých typů gluonů.

Kvarky mohou nést tři typy barevného náboje; antikvarky jsou tři typy antibarvy. Gluony lze chápat jako nositele barvy i anticoloru nebo jako vysvětlení změny barvy kvarku během interakcí. Na základě skutečnosti, že gluony nesou nenulový barevný náboj, by si někdo mohl myslet, že gluonů je pouze šest. Ale ve skutečnosti jich je osm, protože technicky vzato je QCD kalibrační teorie se SU (3) symetrií. Kvarky jsou reprezentovány jako spinorová pole v Nf příchutích , každé v základní reprezentaci (triplet, značeno 3 ) skupiny barevných měřidel, SU (3) . Gluony jsou vektorová pole v přidružené reprezentaci (oktety, označené 8 ) skupiny barev SU (3) . Obecně řečeno, pro skupinu měřidel je počet nosičů interakce (jako jsou fotony a gluony) vždy roven rozměru přidružené reprezentace. Pro jednoduchý případ SU ( N ) je rozměr tohoto zobrazení N 2 − 1 .

Z hlediska teorie grup je tvrzení, že neexistují žádné barevné singletové gluony, jednoduše tvrzením, že kvantová chromodynamika má SU (3) symetrii , nikoli U (3) symetrii . Neexistují žádné apriorní důvody pro preferování jedné nebo druhé skupiny, ale experiment je konzistentní pouze s SU (3) .

Barevné gluony:

Bezbarvé gluony:

Třetí bezbarvý stav:

neexistuje. Číslování gluonů odpovídá číslování Gell-Mannových matic , generátorů skupiny SU(3).

Experimentální pozorování

Kvarky a gluony (barevné) se projevují rozpadem na další kvarky a gluony, které se zase hadronizují na normální (bezbarvé) částice shromážděné v jetech. Jak se ukázalo v roce 1978 na letních konferencích [22] , detektor PLUTO ] na elektron-pozitronovém urychlovači DORIS ( DESY ) obdržel první důkaz, že hadronové rozpady s velmi úzkou rezonancí Υ(9,46) lze geometricky interpretovat jako tříproudový jev vytvořený třemi gluony. Později publikované analýzy téhož experimentu tuto interpretaci potvrdily, stejně jako spin = 1 gluon [23] [24] (viz také sborník [22] ).

V létě 1979, při vyšších energiích, elektron-pozitronový urychlovač PETRA (DESY) znovu pozoroval tříproudové události, nyní interpretované jako q q gluon brzdné záření , nyní jasně viditelné díky spolupráci TASSO [25] , MARK-J [26] a PLUTO [27] (později v roce 1980 také JADE [28] ). Gluonový spin rovný 1 byl potvrzen v roce 1980 experimenty TASSO [29] a PLUTO [30] (viz také přehled). V roce 1991 následující experiment na úložném prstenci LEP v CERNu tento výsledek opět potvrdil [31] .

Gluony hrají důležitou roli v elementárních silných interakcích mezi kvarky a gluony, popsaných QCD a studovaných zejména na elektron-protonovém urychlovači HERA v DESY. Počet a distribuce hybnosti gluonů v protonu (hustota gluonu) byly měřeny dvěma experimenty, H1 a ZEUS [32] v letech 1996–2007. Příspěvek gluonů k protonovému spinu byl studován v experimentu HERMES v HERA [33] . Hustota gluonů (když se chová jako hadron) v protonu byla také změřena [34] .

Uzavření je potvrzeno selháním hledání volných kvarků (hledání zlomkových nábojů). Kvarky se obvykle vyrábějí v párech (kvark + antikvark), aby se vyrovnala kvantová čísla barvy a chuti; nicméně , jediná produkce top kvarků byla ukázána ve Fermilab [a] [35] .

Objev deconfinement byl oznámen v roce 2000 v CERN SPS [36] při srážkách těžkých iontů , což implikuje nový stav hmoty: kvark-gluonové plazma , s menší interakcí než v jádrech , téměř jako v kapalině . Byl objeven v relativistickém urychlovači těžkých iontů (RHIC) v Brookhavenu v letech 2004-2010 jako výsledek čtyř simultánních experimentů [37] . Kvark-gluonový stav plazmy byl potvrzen na Velkém hadronovém urychlovači (LHC) v CERNu a ve třech experimentech ALICE , ATLAS a CMS v roce 2010 [38] .

Akcelerátor CEBAF v Jeffersonově laboratoři v Newport News ve Virginii je jedním z 10  zařízení DOE věnovaných výzkumu gluonů. Virginská laboratoř soutěžila s další institucí, Brookhaven National Laboratory na Long Islandu v New Yorku, o finanční prostředky na stavbu nového elektron-iontového urychlovače [39] . V prosinci 2019 vybralo americké ministerstvo energetiky Brookhaven National Laboratory , aby hostila urychlovač elektronových iontů [40] .

První přímý experimentální důkaz existence gluonů byl získán v roce 1979, kdy byly v experimentech na elektron-pozitronovém urychlovači PETRA ve výzkumném centru DESY ( Hamburk , Německo ) detekovány události se třemi hadronovými jety , z nichž dva byly generovány kvarky. a třetí gluonem.

Nepřímý důkaz existence gluonů byl získán o deset let dříve při kvantitativní analýze procesu hlubokého nepružného rozptylu elektronů na proton/neutron, provedené v americké laboratoři SLAC .

V roce 2005 bylo na relativistickém urychlovači těžkých iontů RHIC získáno kvark-gluonové plazma .

Předpovězená gluonová koule (částice skládající se pouze z gluonů; oblak gluonů oddělený od protonu během srážky) nebyl dosud objeven ani uměle vytvořen.

Uvěznění

Protože gluony nesou barevný náboj (opět na rozdíl od elektricky neutrálních fotonů), účastní se silných interakcí. Volné kvarky nebyly dosud pozorovány, navzdory mnohaletým pokusům o jejich detekci. Podobná situace nastala u gluonů. Ve Fermilabu však byla statisticky detekována jediná produkce top kvarku [41] (jeho životnost je příliš krátká na vytvoření vázaných stavů [42] ).

Ve velmi malých vzdálenostech, hluboko uvnitř hadronů , interakce mezi gluony a kvarky postupně ustupuje v důsledku projevu asymptotické svobody [43] .

Existují určité náznaky existence exotických hadronů, které mají více než tři valenční kvarky (viz Pentaquark ).

Viz také

Poznámky

Komentáře

  1. ↑ Technicky je vytvoření jediného t kvarku ve Fermilabu stále spárováno, ale kvark a antikvark mají různé příchutě.

Zdroje

  1. ↑ John Ellis, Mary K. Gaillard a Graham G. Ross . Hledání Gluonů v e + e - Anihilace   // Nuclear Physics . - 1975. - Sv. B111 . — S. 253–271 . - doi : 10.1016/0550-3213(76)90542-3 .
  2. ↑ J. Beringer et al., "The Review of Particle Physics", Physical Review D, 86, no. 86, (leden 2012)
  3. ↑ 1 2 3 K.A. Olive a kol. Review of Particle Physics (neopr.)  // Chinese Phys. C. - 2014. - T. 38 . - S. 090001 . - doi : 10.1088/1674-1137/38/9/090001 .  
  4. ↑ 1 2 F. Yndurain. Limity hmotnosti gluonu   // Physics Letters B : deník. - 1995. - Sv. 345 , č.p. 4 . — S. 524 . - doi : 10.1016/0370-2693(94)01677-5 . - .
  5. ↑ Souhrnná tabulka vlastností gluonu Archivováno 21. července 2015 na Wayback Machine , známém od roku 2014 // Particle Data   Group
  6. ↑ Lev Okun. Základní pojmy a zákony fyziky a vlastnosti elementárních částic hmoty. Standard Model and Beyond Archivováno 30. prosince 2014 na Wayback Machine .
  7. ↑ Elementární částice . msu.ru. _ Získáno 15. února 2022. Archivováno z originálu dne 25. prosince 2021.
  8. ↑ V. S. Kirchanov. Atomová a jaderná fyzika . - Perm: Nakladatelství Perm. Státní univerzita, 2012. - S. 16-17. — 82 str.
  9. ↑ 1 2 A. V. Efremov. Gluony  // Fyzikální encyklopedie / Kap. vyd. A. M. Prochorov. - M .: Sovětská encyklopedie, 1988.
  10. ↑ v prvním řádu poruchové teorie.
  11. ↑ Gluons  / M. Yu. Khlopov  // Velká ruská encyklopedie  : [ve 35 svazcích]  / kap. vyd. Yu. S. Osipov . - M  .: Velká ruská encyklopedie, 2004-2017.
  12. ↑ Dmitrij Kazakov. Elementární částice. Jak je uspořádána hmota . PostScience . Získáno 15. února 2022. Archivováno z originálu dne 15. února 2022.
  13. ↑ S. S. Gershtein. Co je to barevný náboj nebo jaké síly vážou kvarky  // Sorovsky vzdělávací časopis. - 2000. - č. 6 . - S. 78-84 .
  14. ↑ V. M. Skokov. Kvantová chromodynamika . spravochnick.ru . Získáno 18. února 2022. Archivováno z originálu dne 18. února 2022.
  15. ↑ Olga Kaliteevskaya. Silné interakce hadronů a kvarků . docplayer.com . Získáno 14. února 2022. Archivováno z originálu 15. února 2022.
  16. ↑ Dmitrij Djakovov. Kvarky aneb odkud pochází hmota . Polit.ru _ Získáno 10. února 2022. Archivováno z originálu 15. února 2022.
  17. ↑ Igor Ivanov. Úžasný svět uvnitř atomového jádra . Populárně vědecký projekt "Prvky velké vědy" . FIAN. Získáno 10. února 2022. Archivováno z originálu 15. února 2022.
  18. ↑ 1 2 3 4 CERN. CERN, 11. října 2013 kvark-gluonová fyzika plazmatu v ALICE QGP . myshared.ru _ Získáno 15. února 2022. Archivováno z originálu 16. února 2022.
  19. ↑ I. Roizen. kvark-gluonová plazma . Získáno 15. února 2022. Archivováno z originálu 16. února 2022.
  20. ↑ „Obrácení moderní fyziky“. Co jsme viděli na Large Hadron Collider . ria.ru. _ Získáno 15. února 2022. Archivováno z originálu 17. února 2022.
  21. ↑ Anatomie jedné novinky aneb Jak vlastně fyzikové studují elementární částice . elementy.ru _ Získáno 15. února 2022. Archivováno z originálu 16. února 2022.
  22. ↑ 12 B.R. _ Stella a H.-J. Meyer (2011). „Υ(9,46 GeV) a objev gluonu (kritická vzpomínka na výsledky PLUTO)“. Evropský fyzikální časopis H. 36 (2): 203-243. arXiv : 1008.1869v3 . Bibcode : 2011EPJH...36..203S . DOI : 10.1140/epjh/e2011-10029-3 .
  23. ↑ Berger, Ch. (1979). „Jet analýza rozpadu Υ(9.46) na nabité hadrony“. Písmeno B z fyziky . 82 (3-4). Bibcode : 1979PhLB...82..449B . DOI : 10.1016/0370-2693(79)90265-X .
  24. ↑ Berger, Ch. (1981). „Topologie rozpadu Υ“. Zeitschrift fur Physik C . 8 (2). Bibcode : 1981ZPhyC...8..101B . DOI : 10.1007/BF01547873 .
  25. ↑ Brandelik, R. (1979). "Důkaz pro planární události v e + e - anihilaci při vysokých energiích." Písmeno B z fyziky . 86 (2): 243-249. Bibcode : 1979PhLB...86..243B . DOI : 10.1016/0370-2693(79)90830-X .
  26. ↑ Holič, D.P. (1979). "Objev tříproudových událostí a test kvantové chromodynamiky ve společnosti PETRA." Fyzické kontrolní dopisy . 43 (12). Bibcode : 1979PhRvL..43..830B . DOI : 10.1103/PhysRevLett.43.830 .
  27. ↑ Berger, Ch. (1979). "Důkaz pro Gluon Bremsstrahlung v e + e - Anihilations at High Energies." Písmeno B z fyziky . 86 (3-4). Bibcode : 1979PhLB...86..418B . DOI : 10.1016/0370-2693(79)90869-4 .
  28. ↑ Bartel, W. (1980). „Pozorování planárních tříproudových událostí v e +  e − anihilaci a důkazy pro gluonové brzdné záření“ . Písmeno B z fyziky . 91 (1). Bibcode : 1980PhLB...91..142B . DOI : 10.1016/0370-2693(80)90680-2 . Archivováno z originálu dne 2020-07-16 . Získáno 2022-02-18 . Použitý zastaralý parametr |deadlink=( nápověda )
  29. ↑ Brandelik, R. (1980). "Důkaz pro spin-1 gluon při událostech se třemi proudy." Písmeno B z fyziky . 97 (3-4). Bibcode : 1980PhLB...97..453B . DOI : 10.1016/0370-2693(80)90639-5 .
  30. ↑ Berger, Ch. (1980). „Studie multijetových událostí v e +  e − anihilaci“. Písmeno B z fyziky . 97 (3-4). Bibcode : 1980PhLB...97..459B . DOI : 10.1016/0370-2693(80)90640-1 .
  31. ↑ Alexander, G. (1991). „Měření tříproudových distribucí citlivých na spin gluonu v e +  e − anihilace při √s = 91 GeV“. Zeitschrift fur Physik C . 52 (4). Bibcode : 1991ZPhyC..52..543A . DOI : 10.1007/BF01562326 .
  32. ↑ Lindeman, L. (1997). "Funkce protonové struktury a hustota gluonu v HERA." Jaderná fyzika B: Dodatky ke sborníku . 64 (1): 179-183. Bibcode : 1998NuPhS..64..179L . DOI : 10.1016/S0920-5632(97)01057-8 .
  33. ↑ Spinning svět v DESY . www-hermes.desy.de . Získáno 26. března 2018. Archivováno z originálu 25. května 2021.
  34. ↑ Adloff, C. (1999). „Průřezy nabitých částic při fotoprodukci a extrakci hustoty gluonu ve fotonu“. European Physical Journal C. 10 (3): 363-372. arXiv : hep-ex/9810020 . Bibcode : 1999EPJC...10..363H . doi : 10.1007/ s100520050761 .
  35. ↑ Chalmers, M. Nejlepší výsledek pro Tevatron . Svět fyziky (6. března 2009). Získáno 2. dubna 2012. Archivováno z originálu dne 20. června 2019.
  36. ↑ Abreu, M.C. (2000). „Důkaz pro deconfinement kvarku a antikvarku ze vzoru potlačení J/Ψ měřeného při srážkách Pb-Pb v CERN SpS“ . Písmeno B z fyziky . 477 (1-3): 28-36. Bibcode : 2000PhLB..477...28A . DOI : 10.1016/S0370-2693(00)00237-9 . Archivováno z originálu dne 2022-02-18 . Získáno 2022-02-18 . Použitý zastaralý parametr |deadlink=( nápověda )
  37. ↑ Sbohem, D. . V brookhavenském urychlovači vědci krátce porušují přírodní zákon , The New York Times  (15. února 2010). Archivováno z originálu 18. dubna 2021. Staženo 2. dubna 2012.
  38. ↑ CERN (26. listopadu 2010). Experimenty na LHC přinášejí nový pohled na prvotní vesmír . Tisková zpráva . Archivováno z originálu 3. listopadu 2018. Staženo 2022-02-18 .
  39. ↑ Nolan . Stát doufá ve velký ekonomický třesk, protože Jeff Lab uchází o iontový urychlovač , Richmond Times-Dispatch  (19. října 2015), str. A1, A7. Archivováno z originálu 18. února 2022. Získáno 19. října 2015.  "Tyto stopy mohou vědcům poskytnout lepší pochopení toho, co drží vesmír pohromadě."
  40. ↑ DOE (9. ledna 2020). Americké ministerstvo energetiky vybralo Brookhaven National Laboratory jako hostitele nového významného zařízení pro jadernou fyziku . Tisková zpráva . Archivováno z originálu 9. února 2022. Staženo 2022-02-18 .
  41. ↑ Chytré algoritmy pomohly k objevu ve fyzice elementárních částic • Igor Ivanov • Vědecké novinky o prvcích • Fyzika . elementy.ru _ Staženo 21. 4. 2017. Archivováno z originálu 14. 1. 2017.
  42. ↑ t-kvark . Získáno 26. července 2014. Archivováno z originálu 8. srpna 2014.
  43. ↑ Základní pojmy a zákony fyziky a vlastnosti elementárních částic hmoty • L. Okun • Knižní klub o "Prvcích" • Publikované úryvky z knih Silná interakce. Uvěznění a asymptotická svoboda . elementy.ru _ Získáno 21. dubna 2017. Archivováno z originálu 30. prosince 2014.
  44. ↑ Ivanov I. Úžasný svět uvnitř atomového jádra. Populárně naučná přednáška pro školáky, FIAN . elementy.ru (11. září 2007). Získáno 18. července 2015. Archivováno z originálu 15. července 2015.

Literatura

Odkazy

  Přejděte na položku Wikidata  Slovníky a encyklopedie
V bibliografických katalozích