Введение
Элементарная частица, которая опосредует сильное взаимодействие.
Глюон (/'ɡ//l//uː//ɒ//n/ ГЛЮон) — это тип безмассовой элементарной частицы, которая опосредует сильное взаимодействие между кварками, выступая в качестве частицы-переносчика этого взаимодействия. Глюоны являются безмассовыми векторными бозонами и, следовательно, имеют спин 1. Благодаря сильному взаимодействию глюоны связывают кварки в группы в соответствии с квантовой хромодинамикой (КХД), формируя адроны, такие как протоны и нейтроны. Глюоны несут цветовой заряд сильного взаимодействия, что позволяет им участвовать в этом взаимодействии, а также опосредовать его. Поскольку глюоны несут цветовой заряд, КХД сложнее анализировать по сравнению с квантовой электродинамикой (КЭД), где фотон не имеет электрического заряда. Термин был предложен Мюрреем Геллом-Манном в 1962 году из-за его сходства с клеем, удерживающим ядро вместе. Вместе с кварками эти частицы Ричард Фейнман объединил под названием партоны.
Свойства
Глуон — векторный бозон, что означает, что его спин равен 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 поля была поперечной направлению движения глюона. В квантовой теории поля, сохраняющаяся калибровочная инвариантность требует, чтобы калибровочные бозоны имели нулевую массу. Эксперименты ограничивают массу покоя глюона (если она есть) величиной менее нескольких МэВ/c². Глуон обладает отрицательной внутренней чётностью.
Цветные отдельные состояния
Часто говорят, что стабильные сильно взаимодействующие частицы (такие как адроны, например, протон и нейтрон), наблюдаемые в природе, "бесцветны", но точнее они находятся в состоянии "цветового синглета", которое математически аналогично состоянию спинового синглета. Такие состояния позволяют взаимодействовать с другими цветовыми синглетами, но не с другими цветовыми состояниями; поскольку дальнодействующих взаимодействий глюонов не существует, это иллюстрирует, что глюоны в состоянии синглета также не существуют. Существует множество других возможных выборов, но все они математически эквивалентны, по крайней мере, столь же сложны и дают одинаковые физические результаты.
Детали теории групп
Формально, КХД является калибровочной теорией с калибровочной симметрией SU(3). Кварки вводятся как спиноры в Nf ароматах, каждый из которых находится в фундаментальном представлении (триплет, обозначаемый 3) цветовой калибровочной группы SU(3). Глюоны являются векторами в присоединенном представлении (октаты, обозначаемые 8) цветовой SU(3). Для произвольной калибровочной группы число переносчиков силы (таких как фотоны или глюоны) всегда равно размерности присоединенного представления. Для простого случая SU(N) размерность этого представления равна N² − 1. С точки зрения теории групп, утверждение об отсутствии цветных синглетов среди глюонов является просто констатацией того, что квантовая хромодинамика обладает симметрией SU(3), а не U(3). Нет известных априорных оснований для предпочтения одной группы над другой, но, как обсуждалось выше, экспериментальные данные подтверждают SU(3).
Заключение
Поскольку глюоны сами несут цветовой заряд, они участвуют в сильных взаимодействиях. Эти взаимодействия глюон-глюон ограничивают цветовые поля, формируя объекты в виде нитей, называемые "трубками потока", которые оказывают постоянную силу при растяжении. Благодаря этой силе кварки оказываются заключенными внутри составных частиц, называемых адронами. Это эффективно ограничивает дальность действия сильного взаимодействия примерно до 1 ферми (размером с нуклон). За определенным расстоянием энергия трубки потока, связывающей два кварка, возрастает линейно. На достаточно большом расстоянии энергетически выгоднее извлечь пару кварк-антикварк из вакуума, чем увеличивать длину трубки потока. Одним из следствий свойства удержания адронов глюонами является то, что они не участвуют непосредственно в ядерных силах между адронами. Переносчиками этих сил выступают другие адроны, называемые мезонами. Хотя в нормальной фазе КХД отдельные глюоны не могут свободно распространяться, предсказывается существование адронов, полностью состоящих из глюонов, – так называемых глюоболов. Существуют также гипотезы о других экзотических адронах, в которых реальные глюоны (в отличие от виртуальных, присутствующих в обычных адронах) являются основными составляющими. При выходе за пределы нормальной фазы КХД (при экстремальных температурах и давлениях) формируется кварк-глюонная плазма. В такой плазме адроны отсутствуют; кварки и глюоны становятся свободными частицами.
Экспериментальные наблюдения
Кварки и глюоны (окрашенные) проявляют себя посредством фрагментации в большее количество кварков и глюонов, которые, в свою очередь, адронизуются в нормальные (бесцветные) частицы, коррелированные в струи. Как было показано на летних конференциях 1978 года (см. также воспоминания об экспериментах MARK J и PLUTO, а позднее в 1980 году – JADE). Свойство спина глюона, равное 1, было подтверждено в 1980 году экспериментами TASSO и PLUTO (см. также обзор).
Глюоны играют важную роль в элементарных сильных взаимодействиях между кварками и глюонами, описываемых КХД и изучаемых, в частности, на электронно-протонном коллайдере HERA в DESY. Количество и распределение импульса глюонов в протоне (плотность глюонов) были измерены двумя экспериментами – H1 и ZEUS – в период с 1996 по 2007 год. Вклад глюона в спин протона был изучен экспериментом HERMES на HERA. Также была измерена плотность глюонов в протоне (при адронном поведении). Цветовое удержание подтверждается неудачей поисков свободных кварков (поиска дробных зарядов). Кварки обычно производятся парами (кварк + антикварк) для компенсации квантовых чисел цвета и аромата, однако на Фермилабе было показано однократное производство топ-кварков. Существование глоболы не было продемонстрировано. Деконфайнмент был заявлен в 2000 году в CERN SPS в результате столкновений тяжелых ионов, что указывает на новое состояние материи: кварк-глюонную плазму, менее взаимодействующую, чем в ядре, почти как жидкость. Она была обнаружена на Релятивистском коллайдере тяжелых ионов (RHIC) в Брукхейвене в 2004–2010 годах четырьмя одновременными экспериментами. В 2010 году состояние кварк-глюонной плазмы было подтверждено на Большом адронном коллайдере (LHC) ЦЕРН тремя экспериментами ALICE, ATLAS и CMS. Ускоритель непрерывного электронного пучка лаборатории Джефферсона в Ньюпорт-Ньюс, штат Вирджиния, является одним из 10 объектов Министерства энергетики, занимающихся исследованиями глюонов. Лаборатория Вирджинии конкурировала с другой лабораторией – Брукхейвенской национальной лабораторией на Лонг-Айленде, Нью-Йорк, – за финансирование строительства нового электронно-ионного коллайдера. В декабре 2019 года Министерство энергетики США выбрало Национальную лабораторию Брукхейвена для размещения электронно-ионного коллайдера.