Кіріспе
Глуон ( /ɡluːɒn/ ) – кварктар арасындағы күшті өзара әрекеттесуді қамтамасыз ететін массасыз элементарлық бөлшектің бір түрі, бұл өзара әрекеттесу үшін алмасушы бөлшек ретінде танылады. Глюондар массасыз векторлық бозондар болып табылады, сондықтан олардың спині 1-ге тең. Күшті өзара әрекеттесу арқылы глюондар кварктарды кванттық хромодинамика (КХД) сәйкес топтарға біріктіреді, нәтижесінде протон және нейтрон сияқты адрондар пайда болады. Глюондар күшті өзара әрекеттесудің түсті зарядын тасымалдайды, осылайша өзара әрекеттесуге қатысып, оны күшейтеді. Глюондар түсті зарядты тасымалдағандықтан, кванттық электродинамикамен (КЭД) салыстырғанда КХД-ны талдау қиынырақ, себебі фотон электр зарядын тасымайды. Бұл термин 1962 жылы Мюррей Гелл-Манн ядроны бірге ұстап тұратын жабысқаш немесе желімге ұқсас болғандықтан енгізді. Ричард Фейнман кварктармен бірге осы бөлшектерді партон деп атады.
A gluon ('/ɡ//l//uː//ɒ//n/ GLOOon) is a type of massless elementary particle that mediates the strong interaction between quarks, acting as the exchange particle for the interaction. Gluons are massless vector bosons, thereby having a spin of 1. Through the strong interaction, gluons bind quarks into groups according to quantum chromodynamics (QCD), forming hadrons such as protons and neutrons. Gluons carry the color charge of the strong interaction, thereby participating in the strong interaction as well as mediating it. Because gluons carry the color charge, QCD is more difficult to analyze compared to quantum electrodynamics (QED) where the photon carries no electric charge. The term was coined by Murray Gell Mann in 1962 for being similar to an adhesive or glue that keeps the nucleus together. Together with the quarks, these particles were referred together as partons by Richard Feynman.
Қасиеттері
Глюон – векторлық бозон, яғни оның спині 1-ге тең. Массивті спин 1 бөлшектері үш поляризациялық күйге ие болса, глюон сияқты массасыз өлшеу бозондары тек екі поляризациялық күйге ие, себебі өлшеу инварианттылығы өрістің поляризациясы глюон қозғалатын бағытқа перпендикуляр болуын талап етеді. Кванттық өріс теориясында бұзылмаған өлшеу инварианттылығы өлшеу бозондарының массасының нөлге тең болуын қажет етеді. Эксперименттер глюонның тыныш массасын (болған жағдайда) бірнеше МэВ/c²-ден кем деп шектейді. Глюонның ішкі паритеті теріс.
Түстердің бірлік күйлері
Көбінесе табиғатта байқалатын тұрақты, күшті өзара әрекеттесетін бөлшектер (протон мен нейтрон сияқты адрондар) "түссіз" дейді, бірақ дәлірек айтқанда, олар "түс синглеті" күйінде болады, бұл математикалық тұрғыдан спин синглеті күйіне ұқсас. Мұндай күйлер басқа түс синглеттерімен өзара әрекеттесе алады, бірақ басқа түс күйлерімен емес; себебі ұзақ қашықтықтағы глюондық өзара әрекеттесулер болмайды, сондықтан синглет күйінде глюондар да жоқ екенін көрсетеді. Тыйым салынған жекелік күй. Тағы да көптеген мүмкін таңдаулар бар, бірақ олардың бәрі де математикалық жағынан эквивалентті, кем дегенде бірдей күрделі және бірдей физикалық нәтижелер береді.
Топ теориясының егжей-тегжейі
Формальды түрде QCD – SU(3) өлшеу симметриясы бар өлшеу теориясы. Кварктар Nf дәмдерде спинорлар ретінде енгізіледі, олардың әрқайсысы түстік өлшеу тобының негізгі өкілдігінде (үштік, 3 деп белгіленеді) SU(3) орналасқан. Глюондар түстік SU(3) бойынша қосымша өкілдіктегі (октаттар, 8 деп белгіленеді) векторлар болып табылады. Кез келген өлшеу тобы үшін күш тасымалдаушылардың саны (фотон немесе глюон сияқты) әрқашан қосымша өкілдіктің өлшеміне тең. SU(N) үшін қарапайым жағдайда бұл өкілдіктің өлшемі N² – 1-ге тең. Топтар теориясы тұрғысынан, түстік жеке глюондардың болмауы – кванттық хромодинамиканың U(3) емес, SU(3) симметриясына ие екенін көрсетеді. Бір топты екіншісінен басып озуға ешқандай априорлық себеп жоқ, бірақ жоғарыда айтылғандай, тәжірибелік деректер SU(3) қолдайды.
Қалпына келтіру
Глюондар өзіндік түс зарядымен жүретіндіктен, күшті өзара әрекеттесулерге қатысады. Глюон-глюон өзара әрекеттесулері түс өрістерін "флюс түтіктері" деп аталатын, созылғанда тұрақты күш түсіретін, тізбек тәрізді нысандарға шектейді. Осы күштің әсерінен кварктар адрон деп аталатын құрамдас бөлшектердің ішінде тұтқындалады. Бұл күшті өзара әрекеттесудің радиусын шамамен 1 метрге дейін, яғни нуклонның өлшеміне жуық, шектейді. Белгілі бір қашықтықтан асып кеткенде, екі кваркты байланыстырып тұрған флюс түтігінің энергиясы сызықты түрде артады. Қашықтық жеткілікті болғанда, флюс түтігінің ұзындығын арттырудың орнына, вакуумнан кварк-антикварк жұбын шығару энергетикалық тұрғыдан тиімді болады. Глюондардың адронды тұтқындау қасиетінің салдары ретінде, олар адрондар арасындағы ядролық күштерге тікелей қатыспайды. Осы күштердің делдалдары мезон деп аталатын басқа адрондар болып табылады. QCD-ның қалыпты фазасында жеке глюондар еркін қозғала алмайды, бірақ глюондардан толығымен құралған адрондардың бар екені болжанады – оларға "глюондық адрондар" (glueballs) деп атайды. Сондай-ақ, нақты глюондардың (қалыпты адрондарда кездесетін виртуалды глюондардан өзгеше) негізгі құрамдас бөліктері болатын басқа да экзотикалық адрондар туралы пікірлер бар. QCD-ның қалыпты фазасынан тыс (өте жоғары температура мен қысымда) кварк-глюон плазмасы пайда болады. Мұндай плазмада адрондар жоқ, кварктар мен глюондар еркін бөлшектерге айналады.
Эксперименттік байқаулар
Кварктар мен глюондар (түсті) өздерін көбірек кварктар мен глюондарға ыдырау арқылы көрсетеді, олар өз кезегінде қалыпты (түссіз) бөлшектерге айналады, олар ұшқыштармен байланысты. 1978 жылғы жазғы конференцияларда көрсетілгендей (MARK J және PLUTO эксперименттерін де қараңыз, кейінірек 1980 жылы JADE эксперименті де растады). Глюонның спині = 1 қасиеті 1980 жылы TASSO және PLUTO эксперименттерімен расталды (сонымен қатар қараңыз). Глюондар кварктар мен глюондар арасындағы элементарлы күшті өзара әрекеттесуде маңызды рөл атқарады, бұл QCD арқылы сипатталады және DESY-дегі HERA электрон-протон коллайдерінде зерттеледі. Протондағы глюондардың саны мен импульстік үлестірілімі (глюондық тығыздық) 1996–2007 жылдары H1 және ZEUS эксперименттерімен өлшенді. Глюонның протон спиніне қосқан үлесі HERA-дағы HERMES экспериментімен зерттелді. Протонның глюондық тығыздығы (хадрондық түрде қалыпты қылық танығанда) да өлшенді. Түссіздік принципі еркін кварктарды іздеудің (бөлшек зарядтарды іздеу) сәтсіздігімен расталады. Кварктар әдетте кванттық түс және дәм сандарын толықтыру үшін жұптарда (кварк + антикварк) туындайды; алайда Фермилабта топ кварктардың жеке өндірілуі көрсетілді. Глюболдың табылмағаны дәлелденді. 2000 жылы CERN SPS-дегі ауыр иондардың соқтығысуында шектеуді жою туралы мәлімдеме жасалды, бұл материяның жаңа күйін білдіреді: кварк-глюон плазмасы, ядродағыдан гөрі аз өзара әрекеттесетін, дерлік сұйықтай. Бұл 2004–2010 жылдары Брукхейвендегі Релятивистік ауыр иондар коллайдерінде (RHIC) бір мезгілде жүргізілген төрт эксперимент арқылы табылды. 2010 жылы ALICE, ATLAS және CMS эксперименттері арқылы CERN-нің Үлкен адрон коллайдерінде (LHC) кварк-глюон плазмасының болуы расталды. Вирджиния штатының Ньюпорт-Ньюс қаласында орналасқан Джефферсон зертханасының үздіксіз электронды сәуле акселераторы – Энергетика министрлігінің глюондарды зерттеумен айналысатын 10 нысанының бірі. Вирджиния зертханасы Нью-Йорк штатының Лонг-Айленд аймағында орналасқан Брукхейвен ұлттық зертханасымен жаңа электрон-ион коллайдерін салу үшін қаржыландыру үшін бәсекелестікке түсті. 2019 жылдың желтоқсан айында АҚШ Энергетика министрлігі электрон-ион коллайдерін орналастыру үшін Брукхейвен ұлттық зертханасын таңдады.
The gluons play an important role in the elementary strong interactions between quarks and gluons, described by QCD and studied particularly at the electron proton collider HERA at DESY. The number and momentum distribution of the gluons in the proton (gluon density) have been measured by two experiments, H1 and ZEUS, in the years 1996–2007. The gluon contribution to the proton spin has been studied by the HERMES experiment at HERA. The gluon density in the proton (when behaving hadronically) also has been measured. Color confinement is verified by the failure of free quark searches (searches of fractional charges). Quarks are normally produced in pairs (quark + antiquark) to compensate the quantum color and flavor numbers; however at Fermilab single production of top quarks has been shown. No glueball has been demonstrated. Deconfinement was claimed in 2000 at CERN SPS in heavy ion collisions, and it implies a new state of matter: quark–gluon plasma, less interactive than in the nucleus, almost as in a liquid. It was found at the Relativistic Heavy Ion Collider (RHIC) at Brookhaven in the years 2004–2010 by four contemporaneous experiments. A quark–gluon plasma state has been confirmed at the CERN Large Hadron Collider (LHC) by the three experiments ALICE, ATLAS and CMS in 2010. Jefferson Lab's Continuous Electron Beam Accelerator Facility, in Newport News, Virginia, is one of 10 Department of Energy facilities doing research on gluons. The Virginia lab was competing with another facility – Brookhaven National Laboratory, on Long Island, New York – for funds to build a new electron ion collider. In December 2019, the US Department of Energy selected the Brookhaven National Laboratory to host the electron ion collider.