Gluon

Gluon  ( g )

Feynman diagram e−
e+
 udslettelse med dannelsen af ​​en kvark q og en antikvark q og emission af en gluon g [1]
Forbindelse elementær partikel
En familie boson
Gruppe måleboson [2]
Deltager i interaktioner stærk ,
gravitationel
Antipartikel sig selv (for neutrale gluoner)
Antal typer otte
Vægt 0 (teoretisk værdi) [3]
< 1,3 MeV/ s 2 (eksperimentel grænse) [4] [5]
Teoretisk begrundet Gell-Mann , Zweig ( 1964 )
Opdaget 1979
kvantetal
Elektrisk ladning 0 [3]
farveladning
Spin 1 [6 ]
Intern paritet −
Antal spin-tilstande 2
Isotopisk spin 0
 Mediefiler på Wikimedia Commons

Gluon (fra engelsk  gluon , fra lim  - lim) - elementær masseløs partikel , fundamental boson [7] , vektorfeltkvante , bærer af stærk interaktion [8] [9] .

Enkelt sagt er gluoner vektormålebosoner , der er direkte ansvarlige for den stærke farveinteraktion mellem kvarker i kvantekromodynamik (QCD) [9] . I modsætning til fotoner i kvanteelektrodynamik (QED), som er elektrisk neutrale og ikke interagerer med hinanden [10] , bærer gluoner selv en farveladning og derfor bærer de ikke kun den stærke interaktion, men deltager også i den. Der er 8 uafhængige typer gluoner i alt, hvilket gør QCD meget sværere at forstå end QED.

Egenskaber

Gluoner er bærere af det stærke samspil mellem kvarker, som "limer" kvarker til hadroner . Kvantetallene for kvarker - elektrisk ladning, baryontal , smag - forbliver uændrede under emission og absorption af gluoner, mens farven på kvarker ændres [11] .

En gluon er en kvante af et vektorfelt (det vil sige med enhedsspin og negativ intern paritet ) i QCD . Den har ingen masse . I kvantefeltteorien kræver ubrudt gauge-invarians , at gauge-bosonen er masseløs [3] (eksperimentet begrænser gluonmassen ovenfra til ikke mere end nogle få MeV [4] ). Alle disse egenskaber (såvel som nul elektrisk ladning ) bringer den tættere på en foton.

Mens massive vektorpartikler har tre polarisationstilstande, har masseløse vektormålebosoner, såsom gluonen og fotonen, kun to mulige polariseringer på grund af måleinvarians, der kræver tværpolarisering.

Gluonen har nul isospin . Farveløse gluoner er deres egne antipartikler , det vil sige virkelig neutrale partikler . Gluoner er ligesom kvarker ikke i fri tilstand under naturlige forhold, de danner bundne tilstande - hadroner [12] .

Historie

M. Gell-Mann og den østrigske fysiker G. Zweig fremsatte i 1964 den hypotese, at alle hadroner med et baryontal B = 0 (mesoner) består af et par "kvark og antikvark", og med et tal B = 1 ( baryoner) - består af tre kvarker. Uafhængigt af hinanden blev hypotesen om, at hver kvark har tre forskellige farvetilstande, udtrykt i 1965 af de sovjetiske fysikere N. N. Bogolyubov , B. V. Struminsky , A. N. Tavkhelidze og amerikaneren M. Khan og I. Nambu . I en noget anden form i 1964 blev en lignende hypotese udtrykt af den amerikanske fysiker O. Grinberg [13] .

Syntesen af ​​ideer om farven på kvarker i begyndelsen af ​​70'erne af det XX århundrede gav anledning til kvanteteorien om det stærke samspil mellem farvede gluon- og kvarkfelter - kvantekromodynamik .

Den første serie af værker om dette emne, baseret på ideerne om symmetri og invarians i et system af partikler og felter, blev udgivet af Gell-Man, Murry , Harald Fritsch (tysk: Harald Fritzsch), J. Zweig [14] [ 15] .

Begrebet kvark indespærring dukkede op på grund af umuligheden af ​​at observere dem i en fri form. Det er umuligt at udskille en kvark fra en proton, da der virker en meget stor bindekraft mellem kvarkerne. Hvis du for eksempel forsøger at "avle" dem, vil det i menneskelige enheder være nødvendigt at overvinde modstanden svarende til 14 tons. Denne kraft aftager ikke med afstanden og forbliver altid den samme. Teoretisk fysik kalder denne kraftstreng , som strækkes mellem kvarker. Hvis man skubber kvarkerne længere og længere, vil strengen på et tidspunkt briste, hvilket giver anledning til mesoner , som består af kvarker og antikvarker. "Farven" på kvarken er ikke observeret, den har ingen fysisk betydning. Kun en ændring i kvarkens "farve" fra punkt til punkt observeres. Hver gluon er noget, der er placeret direkte i protonen. En protons "liv" i tid er repræsenteret som interaktionen mellem tre kvarker gennem otte varianter af gluoner [16] .

Efter accelerationen og kollisionen af ​​protoner begynder gluonfeltet at "vokse" , og på et tidspunkt knækker det, og et kvark-antikvark-par bliver født ved brudpunktet. Gluonfelter kan også kollidere og producere "kvark-antikvark"-par [17] .

Quark-gluon stof

Gluoner er en integreret del af kvark-gluon stof. Forskning i fysik med hensyn til stoffets struktur er essensen af ​​studiet af kvark-gluon plasma. Fysikere forsøger at løse det grundlæggende videnskabelige problem, der er stillet foran dem: Hvad består stofstrukturen af , hvordan opstod og udviklede universets baryoniske stof sig, som ligger til grund for stof, eftersom stjerner, planeter og levende væsener består af det. De grundlæggende kræfter af stærk interaktion - gluoner - er forbindelsesleddet i processen med fission og syntese af kernefysiske objekter [18] [19] .

Som et resultat af stærk interaktion omdannes nukleoner (protoner og neutroner) til baryoner , bestående af tre kvarker (mere end 100 baryoner er blevet opdaget). Hadroner består af kvarker, antikvarker og gluoner. Ustabile partikler fra et lige antal kvarker og antikvarker udgør mesoner (kvark-antikvark). Kvarker og gluoner er "låst" i hadroner. Frie kvarker og gluoner slået ud under stærk vekselvirkning fra kerner under visse betingelser ( deconfinement af kvarker og gluoner) gennemgår processen med hadronisering , som stopper i hadron-jets (jet). Denne tilstand af stof kaldes kvark-gluon plasma [18] [20] .

Quark-gluon plasma er karakteriseret ved ekstrem høj temperatur og høj energitæthed, der overstiger en kritisk værdi. Eksperimenter inden for undersøgelse af stærke interaktioner udføres af forskere ved acceleratorer af superhøjenergikerner . Udviklingen og egenskaberne af kvark-gluon stof studeres af moderne fysik. Formentlig bestod universet af et sådant stof få øjeblikke efter fremkomsten ( Big Bang ) [18] . Fysikken af ​​kvark-gluon stof er et af nøgleområderne i moderne fysik, som kombinerer elementær partikelfysik, kernefysik og kosmologi [18] [21] .

Numerologi af gluoner

I modsætning til en enkelt foton i QED eller tre W- og Z -bosoner , der bærer svage interaktioner , er der 8 uafhængige typer gluoner i QCD.

Quarks kan bære tre typer farveladning; antikvarker er tre typer af antifarve. Gluoner kan forstås som bærere af både farve og antifarve, eller som en forklaring på ændringen i farve af en kvark under interaktioner. Baseret på det faktum, at gluoner bærer en farveladning, der ikke er nul, kan man tro, at der kun er seks gluoner. Men faktisk er der otte af dem, da QCD teknisk set er en gauge teori med SU (3) symmetri. Quarks er repræsenteret som spinorfelter i Nf - smag , hver i en fundamental repræsentation (triplet, betegnet 3 ) af farvemålergruppen, SU (3) . Gluoner er vektorfelter i den adjoint repræsentation (oktetter, betegnet 8 ) af SU (3) farvegruppen . Generelt for en målegruppe er antallet af interaktionsbærere (såsom fotoner og gluoner) altid lig med dimensionen af ​​den adjoint repræsentation. For det simple tilfælde SU ( N ) er dimensionen af ​​denne repræsentation N 2 − 1 .

Med hensyn til gruppeteori er udsagnet om, at der ikke er nogen farve- singlet gluoner, blot et udsagn om, at kvantekromodynamik har SU (3) symmetri , ikke U (3) symmetri . Der er ingen a priori grunde til at foretrække den ene eller den anden gruppe, men forsøget stemmer kun overens med SU (3) .

Farvede gluoner:

Farveløse gluoner:

Tredje farveløs tilstand:

eksisterer ikke. Nummereringen af ​​gluoner svarer til nummereringen af ​​Gell-Mann-matricerne , generatorer af SU(3)-gruppen.

Eksperimentelle observationer

Kvarker og gluoner (farvede) viser sig ved at henfalde til flere kvarker og gluoner, som igen havderoniseres til normale (farveløse) partikler opsamlet i jetfly. Som det viste sig i 1978 ved sommerkonferencer [22] modtog PLUTO ]-detektoren ved DORIS elektron-positron-kollideren ( DESY ) det første bevis på, at hadroniske henfald af en meget snæver resonans Υ(9.46) kan fortolkes geometrisk som en tre-jet begivenhed skabt af tre gluoner. Senere publicerede analyser af det samme eksperiment bekræftede denne fortolkning, samt spin = 1 gluon [23] [24] (se også samling [22] ).

I sommeren 1979, ved højere energier, observerede PETRA (DESY) elektron-positron-kollideren igen tre-jet-begivenheder, nu fortolket som q q gluon bremsstrahlung , nu tydeligt synlig af TASSO [25] samarbejdet , MARK-J [26] og PLUTO [27] (senere i 1980 også JADE [28] ). Gluonspin lig med 1 blev bekræftet i 1980 af TASSO [29] og PLUTO [30] eksperimenter (se også gennemgangen). I 1991 bekræftede et efterfølgende eksperiment på LEP -lagerringen på CERN igen dette resultat [31] .

Gluoner spiller en vigtig rolle i elementært stærke interaktioner mellem kvarker og gluoner, beskrevet af QCD og studeret især ved HERA elektron-proton kollideren ved DESY. Antallet og momentumfordelingen af ​​gluoner i en proton (gluontæthed) blev målt ved to eksperimenter, H1 og ZEUS [32] i 1996-2007. Gluonernes bidrag til protonspin blev undersøgt i HERMES eksperimentet på HERA [33] . Tætheden af ​​gluoner (når den opfører sig som en hadron) i en proton er også blevet målt [34] .

Indespærring bekræftes af undladelsen af ​​at søge efter frie kvarker (søg efter fraktioneret afgifter). Kvarker produceres normalt i par (kvark + antikvark) for at udligne farve- og smagskvantetal; dog blev enkeltproduktion af topkvarker vist på Fermilab [a] [35] .

Opdagelsen af ​​deconfinement blev annonceret i 2000 på CERN SPS [36] i kraftige ionkollisioner [ , hvilket indebærer en ny tilstand af stof: kvark-gluon plasma , med mindre interaktion end i kerner , næsten som i en væske . Det blev opdaget ved Relativistic Heavy Ion Collider (RHIC) i Brookhaven i 2004-2010 som et resultat af fire simultane eksperimenter [37] . Kvark-gluon-tilstanden af ​​plasma blev bekræftet ved CERNs Large Hadron Collider (LHC) og tre eksperimenter ALICE , ATLAS og CMS i 2010 [38] .

CEBAF-acceleratoren ved Jefferson Laboratory i Newport News, Virginia , er en af ​​10  DOE- faciliteter dedikeret til gluonforskning. Virginia-laboratoriet konkurrerede med en anden institution, Brookhaven National Laboratory på Long Island, New York, om midler til at bygge en ny elektron-ion-kollider [39] . I december 2019 valgte det amerikanske energiministerium Brookhaven National Laboratory til at være vært for Electron Ion Collider [40] .

Det første direkte eksperimentelle bevis for eksistensen af ​​gluoner blev opnået i 1979, da hændelser med tre hadronstråler blev opdaget i eksperimenter ved PETRA elektron-positron kollideren ved DESY forskningscenter ( Hamborg , Tyskland ) , hvoraf to blev genereret af kvarker og den tredje af en gluon.

Indirekte beviser for eksistensen af ​​gluoner blev opnået ti år tidligere i en kvantitativ analyse af processen med dyb uelastisk spredning af elektroner på en proton/neutron, udført på det amerikanske laboratorium SLAC .

I 2005 blev et kvark-gluon-plasma opnået ved den relativistiske tunge ion-kollider RHIC .

Den forudsagte limkugle (en partikel, der kun består af gluoner; en sky af gluoner løsrevet fra en proton under en kollision) er endnu ikke blevet opdaget eller skabt kunstigt.

Indespærring

Da gluoner bærer en farveladning (igen, i modsætning til elektrisk neutrale fotoner), deltager de i stærke interaktioner. Frie kvarker er endnu ikke blevet observeret på trods af mange års forsøg på at opdage dem. En lignende situation er opstået med gluoner. En enkelt produktion af en topkvark blev imidlertid statistisk påvist ved Fermilab [41] (dens levetid er for kort til at danne bundne tilstande [42] ).

På meget små afstande, dybt inde i hadroner , aftager interaktionen mellem gluoner og kvarker gradvist som følge af manifestationen af ​​asymptotisk frihed [43] .

Der er nogle indikationer på eksistensen af ​​eksotiske hadroner, der har mere end tre valenskvarker (se Pentaquark ).

Se også

Noter

Kommentarer

  1. ↑ Teknisk set er skabelsen af ​​en enkelt t-kvark ved Fermilab stadig parret, men kvarken og antikvarken har forskellige smagsvarianter.

Kilder

  1. ↑ John Ellis, Mary K. Gaillard og Graham G. Ross . Søg efter gluoner i e + e - Annihilation   // Nuclear Physics . - 1975. - Bd. 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, nr. 86, (januar 2012)
  3. ↑ 1 2 3 K.A. Olive et al. Gennemgang af partikelfysik (neopr.)  // Chinese Phys. C. - 2014. - T. 38 . - S. 090001 . - doi : 10.1088/1674-1137/38/9/090001 .  
  4. ↑ 1 2 F. Yndurain. Grænser for gluonens masse   // Fysik Bogstaver B : journal. - 1995. - Bd. 345 , nr. 4 . — S. 524 . - doi : 10.1016/0370-2693(94)01677-5 . - .
  5. ↑ Oversigtstabel over gluonegenskaber Arkiveret 21. juli 2015 på Wayback Machine , kendt fra 2014 // Particle Data   Group
  6. ↑ Lev Okun. Grundlæggende begreber og love for fysik og egenskaber ved elementære partikler af stof. Standard Model and Beyond Arkiveret 30. december 2014 på Wayback Machine .
  7. ↑ Elementære partikler . msu.ru. _ Hentet 15. februar 2022. Arkiveret fra originalen 25. december 2021.
  8. ↑ V. S. Kirchanov. Atom- og kernefysik . - Perm: Publishing House of Perm. State University, 2012. - S. 16-17. — 82 s.
  9. ↑ 1 2 A. V. Efremov. Gluoner  // Physical Encyclopedia / Kap. udg. A. M. Prokhorov. - M . : Soviet Encyclopedia, 1988.
  10. ↑ i den første rækkefølge af forstyrrelsesteori.
  11. ↑ Gluons  / M. Yu. Khlopov  // Great Russian Encyclopedia  : [i 35 bind]  / kap. udg. Yu. S. Osipov . - M .  : Great Russian Encyclopedia, 2004-2017.
  12. ↑ Dmitrij Kazakov. Elementære partikler. Hvordan sagen er indrettet . PostScience . Hentet 15. februar 2022. Arkiveret fra originalen 15. februar 2022.
  13. ↑ S. S. Gershtein. Hvad er en farveladning, eller hvilke kræfter binder kvarker  // Sorovsky Educational Journal. - 2000. - Nr. 6 . - S. 78-84 .
  14. ↑ V. M. Skokov. Kvantekromodynamik . spravochnick.ru . Hentet 18. februar 2022. Arkiveret fra originalen 18. februar 2022.
  15. ↑ Olga Kaliteevskaya. Stærke interaktioner mellem hadroner og kvarker . docplayer.com . Hentet 14. februar 2022. Arkiveret fra originalen 15. februar 2022.
  16. ↑ Dmitry Dyakonov. Quarks, eller hvor kommer massen fra . Polit.ru . Hentet 10. februar 2022. Arkiveret fra originalen 15. februar 2022.
  17. ↑ Igor Ivanov. Den fantastiske verden inde i atomkernen . Populærvidenskabeligt projekt "Elements of big science" . FIAN. Hentet 10. februar 2022. Arkiveret fra originalen 15. februar 2022.
  18. ↑ 1 2 3 4 CERN. CERN, 11. oktober 2013 Quark-Gluon Plasma Physics i ALICE QGP . myshared.ru _ Hentet 15. februar 2022. Arkiveret fra originalen 16. februar 2022.
  19. ↑ I. Roizen. Quark-Gluon Plasma . Hentet 15. februar 2022. Arkiveret fra originalen 16. februar 2022.
  20. ↑ "Omvendt moderne fysik". Hvad vi så ved Large Hadron Collider . ria.ru. _ Hentet 15. februar 2022. Arkiveret fra originalen 17. februar 2022.
  21. ↑ Anatomy of one news, eller hvordan fysikere faktisk studerer elementarpartikler . elementy.ru . Hentet 15. februar 2022. Arkiveret fra originalen 16. februar 2022.
  22. ↑ 12 B.R. _ Stella og H.-J. Meyer (2011). "Υ(9,46 GeV) og gluonopdagelsen (en kritisk erindring af PLUTO-resultater)". European Physical Journal H. 36 (2): 203-243. arXiv : 1008.1869v3 . Bibcode : 2011EPJH...36..203S . DOI : 10.1140/epjh/e2011-10029-3 .
  23. ↑ Berger, Ch. (1979). "Jetanalyse af Υ(9.46) henfald til ladede hadroner". Fysik bogstav B. 82 (3-4). Bibcode : 1979PhLB...82..449B . DOI : 10.1016/0370-2693(79)90265-X .
  24. ↑ Berger, Ch. (1981). "Topologi af Υ-forfaldet". Zeitschrift fur Physik C . 8 (2). Bibcode : 1981ZPhyC...8..101B . DOI : 10.1007/BF01547873 .
  25. ↑ Brandelik, R. (1979). "Beviser for plane begivenheder i e + e - udslettelse ved høje energier." Fysik bogstav B. 86 (2): 243-249. Bibcode : 1979PhLB...86..243B . DOI : 10.1016/0370-2693(79)90830-X .
  26. ↑ Barber, D.P. (1979). "Opdagelse af Three-Jet Events og en test af kvantekromodynamik hos PETRA." Fysiske anmeldelsesbreve . 43 (12). Bibcode : 1979PhRvL..43..830B . DOI : 10.1103/PhysRevLett.43.830 .
  27. ↑ Berger, Ch. (1979). "Beviser for Gluon Bremsstrahlung i e + e - Udslettelse ved høje energier." Fysik bogstav B. 86 (3-4). Bibcode : 1979PhLB...86..418B . DOI : 10.1016/0370-2693(79)90869-4 .
  28. ↑ Bartel, W. (1980). "Observation af plane tre-jet begivenheder i e +  e - udslettelse og bevis for gluon bremsstrahlung" . Fysik bogstav B. 91 (1). Bibcode : 1980PhLB...91..142B . DOI : 10.1016/0370-2693(80)90680-2 . Arkiveret fra originalen 2020-07-16 . Hentet 2022-02-18 . Forældet parameter brugt |deadlink=( hjælp )
  29. ↑ Brandelik, R. (1980). "Beviser for en spin-1 gluon i tre-jet begivenheder." Fysik bogstav B. 97 (3-4). Bibcode : 1980PhLB...97..453B . DOI : 10.1016/0370-2693(80)90639-5 .
  30. ↑ Berger, Ch. (1980). "En undersøgelse af multi-jet begivenheder i e +  e - udslettelse". Fysik bogstav B. 97 (3-4). Bibcode : 1980PhLB...97..459B . DOI : 10.1016/0370-2693(80)90640-1 .
  31. ↑ Alexander, G. (1991). "Måling af tre-jet-fordelinger, der er følsomme over for gluonspin i e +  e - Annihilationer ved √s = 91 GeV". Zeitschrift fur Physik C . 52 (4). Bibcode : 1991ZPhyC..52..543A . DOI : 10.1007/BF01562326 .
  32. ↑ Lindeman, L. (1997). "Protonstrukturfunktioner og gluondensitet ved HERA." Kernefysik B: Proceedings Supplements . 64 (1): 179-183. Bibcode : 1998NuPhS..64..179L . DOI : 10.1016/S0920-5632(97)01057-8 .
  33. ↑ Den snurrende verden hos DESY . www-hermes.desy.de . Hentet 26. marts 2018. Arkiveret fra originalen 25. maj 2021.
  34. ↑ Adloff, C. (1999). "Tværsnit af ladede partikler i fotoproduktionen og udvindingen af ​​gluondensiteten i fotonen". European Physical Journal C. 10 (3): 363-372. arXiv : hep-ex/9810020 . Bibcode : 1999EPJC...10..363H . doi : 10.1007/ s100520050761 .
  35. ↑ Chalmers, M. Topresultat for Tevatron . Physics World (6. marts 2009). Hentet 2. april 2012. Arkiveret fra originalen 20. juni 2019.
  36. ↑ Abreu, M.C. (2000). "Bevis for deconfinement af kvark og antikvark fra J/Ψ-undertrykkelsesmønsteret målt i Pb-Pb-kollisioner ved CERN SpS" . Fysik bogstav B. 477 (1-3): 28-36. Bibcode : 2000PhLB..477...28A . DOI : 10.1016/S0370-2693(00)00237-9 . Arkiveret fra originalen 2022-02-18 . Hentet 2022-02-18 . Forældet parameter brugt |deadlink=( hjælp )
  37. ↑ Farvel, D. . I Brookhaven Collider bryder videnskabsmænd kort en naturlov , The New York Times  (15. februar 2010). Arkiveret fra originalen den 18. april 2021. Hentet 2. april 2012.
  38. ↑ CERN (26. november 2010). LHC-eksperimenter bringer ny indsigt i det oprindelige univers . Pressemeddelelse . Arkiveret fra originalen 3. november 2018. Hentet 2022-02-18 .
  39. ↑ Nolan . Staten håber på et stort økonomisk brag, da Jeff Lab byder på ionkollider , Richmond Times-Dispatch  (19. oktober 2015), s. A1, A7. Arkiveret fra originalen den 18. februar 2022. Hentet 19. oktober 2015.  "Disse spor kan give videnskabsmænd en bedre forståelse af, hvad der holder universet sammen."
  40. ↑ DOE (9. januar 2020). US Department of Energy udvælger Brookhaven National Laboratory til at være vært for store nye nuklearfysiske anlæg . Pressemeddelelse . Arkiveret fra originalen den 9. februar 2022. Hentet 2022-02-18 .
  41. ↑ Smarte algoritmer hjalp med at gøre en opdagelse inden for elementærpartikelfysik • Igor Ivanov • Videnskabsnyheder om elementer • Fysik . elementy.ru . Hentet 21. april 2017. Arkiveret fra originalen 14. januar 2017.
  42. ↑ t-kvark . Hentet 26. juli 2014. Arkiveret fra originalen 8. august 2014.
  43. ↑ Grundlæggende begreber og fysiklove og egenskaber ved elementære partikler af stof • L. Okun • Bogklub om "Elementer" • Udgivet uddrag fra bøger Stærk interaktion. Indespærring og asymptotisk frihed . elementy.ru . Hentet 21. april 2017. Arkiveret fra originalen 30. december 2014.
  44. ↑ Ivanov I. Den fantastiske verden inde i atomkernen. Populærvidenskabeligt foredrag for skolebørn, FIAN . elementy.ru (11. september 2007). Hentet 18. juli 2015. Arkiveret fra originalen 15. juli 2015.

Litteratur

Links

  Gå til Wikidata-elementet  Ordbøger og encyklopædier
I bibliografiske kataloger