Что такое глюоны в физике

Глюон

Говоря техническим языком, глюоны — это векторные калибровочные бозоны, непосредственно отвечающие за сильное цветовое взаимодействие между кварками в квантовой хромодинамике (КХД). В отличие от фотонов в квантовой электродинамике (КЭД), которые электрически нейтральны и не взаимодействуют друг с другом, глюоны сами несут цветовой заряд и, таким образом, участвуют в сильных взаимодействиях, а не только переносят их. Это делает КХД значительно более сложной для понимания, чем КЭД.

Связанные понятия

Упоминания в литературе

Связанные понятия (продолжение)

В физике элементарных частиц электрослабое взаимодействие является общим описанием двух из четырёх фундаментальных взаимодействий: слабого взаимодействия и электромагнитного взаимодействия. Хотя эти два взаимодействия очень различаются на обычных низких энергиях, в теории они представляются как два разных проявления одного взаимодействия. При энергиях выше энергии объединения (порядка 100 ГэВ) они соединяются в единое электрослабое взаимодействие.

В физике элементарных частиц поколение — это часть классификации элементарных частиц, относящаяся к фундаментальным фермионам (кваркам и лептонам). Частицы разных поколений отличаются только массой и ароматом; все фундаментальные взаимодействия и квантовые числа идентичны. Согласно Стандартной Модели, существует всего три поколения.

Хи́ггсовский механи́зм или механи́зм Хи́ггса, предложенный английским физиком Питером Хиггсом в 1964 г. и основанный на предположении Филиппа Андерсона, — теория, которая описывает, как приобретают массы все элементарные частицы. Например, он делает Z-бозон отличным от фотона. Этот механизм может быть рассмотрен как элементарный случай тахионной конденсации, где роль тахиона играет скалярное поле, названное полем Хиггса. Массивный квант этого поля был назван бозоном Хиггса.

Источник

Струи: проявления кварков и глюонов

Кварки, глюоны и антикварки — это составные части протонов, нейтронов и (по определению) других адронов. Удивительным физическим свойством нашего мира является то, что когда одна из этих частиц выбивается из содержащего её адрона, и летит с большой энергией движения, она остаётся ненаблюдаемой макроскопически. Вместо этого кварк высокой энергии (или глюон, или антикварк) превращается в «брызги» адронов (частиц, состоящих из кварков, антикварков и глюонов). Эти брызги называют «струёй». Отметим, что это справедливо для пяти самых лёгких цветов кварка, но не для верхнего кварка, распадающегося на W-частицу и нижний кварк до того, как может появиться струя.

В статье я примерно опишу как и почему из обладающих высокой энергией кварков, антикварков и глюонов появляются струи.

Рис. 1: если попытаться вытащить кварк из протона при помощи волшебного пинцета, то протон сначала исказится, а потом разобьётся на два адрона. Ваша попытка освободить кварк провалится, а затраченная энергия превратится в энергию массы второго адрона.

Что происходит, когда кварк высокой энергии выбивают из протона? К примеру, быстро движущийся электрон врезается в протон, сильно ударяет по кварку, придавая ему энергию движения гораздо большую, чем энергия массы всего протона?

Грубо говоря — экспертам скажу, что частично это заявление будет наивным и немного уводящим от сути, но позже я его скорректирую — происходит примерно то же, что показано на рис. 1, но в большем масштабе. Кварк двигается так быстро, что появляющаяся резиновая лента не успевает разорваться и растягивается слишком сильно — см. середину рис. 2. В результате она, вместо того, чтобы разорваться в одном месте и сформировать два адрона, разрывается во многих местах и формирует много адронов (в основном пионы и каоны (похожи на пионы, но содержат странный кварк или антикварк) и эта-мезоны, или, что реже, протоны, нейтроны, антипротоны или антинейтроны). Все они направятся более-менее в одном направлении. В результате у нас появятся брызги адронов, большая часть которых будет лететь в направлении изначального кварка. Вот вам и струя.

Рис. 2

Первоначальная энергия высокоэнергетического кварка теперь разделилась между адронами в струе. Но для кварков достаточно больших энергий (10 ГэВ и более) в формировании энергии массы новых адронов участвует малая доля энергии; большая её часть переходит в энергию их движения. В результате общая энергия и направление струи похожи на начальную энергию и направление кварка. Измеряя энергию и направление движения всех адронов струи, и определяя энергию и направление движения струи как целого, специалисты по физике частиц получают неплохую оценку энергии и направления движения изначального кварка.

То же верно для антикварков, и, с небольшой модификацией, для высокоэнергетических глюонов.

Хочу заметить, что никто не может подсчитать, как этот процесс происходит детально. Нам известно то, что я вам рассказал, в результате комбинации десятилетий теоретических подсчётов, теоретических догадок и данных — подробных данных из разных источников — которые в целом показывают, что эта история примерно такая и есть. И у нас есть причины быть в ней уверенными. Множество наших высокоточных проверок теории сильного ядерного взаимодействия в ином случае провалились бы.

Очевидно, есть ещё много всего, что можно сказать по поводу сильного ядерного взаимодействия.

Рис. 3

Теперь давайте я исправлю ту неточность, которая допущена на рис. 2. Я опустил ключевой этап. Ударенный кварк, как любая ускоренная частица, будет излучать. Внезапно ускоренный электрон будет излучать фотоны; внезапно ускоренный кварк будет излучать глюоны (и фотоны тоже, но их гораздо меньше). Это показано справа вверху на рис. 3. По этому на самом деле на краю протона появляется не быстрый кварк (рис. 3, слева в середине), а набор быстрых глюонов плюс быстрый кварк. В результате процесс формирования струи адронов (рис. 3, внизу) получается более сложным, чем на рис. 2, хотя итог у них более-менее одинаковый. Но форма струи на самом деле определяется тем, как излучаются глюоны ещё до того, как кварк выйдет из протона. Процесс излучения глюонов кварком можно подсчитать! Поэтому, при помощи уравнений для сильного ядерного взаимодействия можно подсчитать гораздо больше свойств струи, чем это может показаться на основе наивного рис. 2. Эти вычисления проверены данными, в результате чего были проверены уравнения для описания сильного ядерного взаимодействия.

Источник

Глюон

Глюон
Символ:	g
Состав:	Элементарная частица
Семья:	Бозон
Группа:	Калибровочный бозон
Участвует во взаимодействиях:	Cильное, гравитационное
Теоретически обоснована:	Гелл-Манн, Цвейг (1964)
Обнаружена:	1979
Кол-во типов:	8
Масса:	0
Электрический заряд:	0
Цветовой заряд:
Спин:	1
Кол-во спиновых состояний:	2

Глюо́ны (англ. gluon от glue — клей) — элементарные частицы, являющиеся причиной взаимодействия кварков, а также косвенно ответственные за соединение протонов и нейтронов в атомном ядре.

Говоря техническим языком, глюоны — это векторные калибровочные бозоны, непосредственно отвечающие за сильное цветовое взаимодействие между кварками в квантовой хромодинамике (КХД). В отличие от нейтральных фотонов в квантовой электродинамике (КЭД), глюоны сами несут цветовой заряд и, таким образом, участвуют в сильных взаимодействиях, а не только переносят их. Глюон обладает способностью делать это, так как он несёт в себе цветовой заряд, тем самым взаимодействуя с самим собой, что делает КХД значительно более сложной для понимания, чем КЭД.

Содержание

Свойства

Глюон — это квант векторного поля в КХД. Он не имеет массы. Как и фотон, он обладает единичным спином. В то время, как массивные векторные (то есть обладающие единичным спином) частицы имеют три состояния поляризации, безмассовые калибровочные бозоны, такие, как глюон и фотон, имеют только две возможных поляризации из-за того, что калибровочная инвариантность требует поперечной поляризации. В квантовой теории поля ненарушенная калибровочная инвариантность требует, чтобы калибровочный бозон был безмассовым (эксперимент ограничивает массу глюона сверху значением не более нескольких МэВ). Глюон обладает отрицательной внутренней чётностью и нулевым изоспином. Он является античастицей самому себе.

Нумерология глюонов

В отличие от единственного фотона в КЭД или трёх W— и Z-бозонов, переносящих слабое взаимодействие, в КХД существует 8 независимых типов глюонов.

Кварки могут нести три типа цветового заряда; антикварки — три типа антицветового. Глюоны могут быть осмыслены как носители одновременно цвета и антицвета, либо как объяснение изменения цвета кварка во время взаимодействий. Исходя из того, что глюоны несут ненулевой цветовой заряд, можно подумать, что существует только шесть глюонов. Но на самом деле их восемь, так как говоря техническим языком, КХД — это калибровочная теория с SU(3)-симметрией. Кварки представлены как поля спиноров в N_f ароматах, каждый в фундаментальном представлении (триплет, обозначается 3) цветовой калибровочной группы, SU(3). Глюоны являются векторными полями в присоединённом представлении (октеты, обозначаются 8) цветовой SU(3)-группы. Вообще говоря, для калибровочной группы число переносчиков взаимодействия (таких как фотоны и глюоны) всегда равно размерности присоединённого представления. Для простого случая SU(N) размерность этого представления равна N²-1.

В терминах теории групп утверждение, что синглетные по цвету глюоны отсутствуют, является просто заявлением, что квантовая хромодинамика имеет симметрию SU(3), а не U(3). Априорных причин для предпочтения той или другой группы нет, но эксперимент согласуется лишь с SU(3).

Третье бесцветное состояние:

Ограничения

Экспериментальные наблюдения

Первое прямое экспериментальное доказательство существования глюонов было получено в 1979 году, когда в экспериментах на электрон-позитронном коллайдере PETRA в исследовательском центре DESY (Гамбург, ФРГ) были обнаружены события с тремя адронными струями, две из которых порождались кварками и третья — глюоном. Косвенное доказательство существования глюонов было получено на десять лет раньше при количественном анализе процесса глубоко неупругого рассеяния электронов на протоне/нейтроне, проведённом в американской лаборатории SLAC.

Конфайнмент

Свободные кварки до сих пор не наблюдались, несмотря на многолетние попытки, аналогичная ситуация и с глюонами. Однако в Фермилабе было статистически обнаружено одиночное рождение топ-кварка (его время жизни слишком мало, чтобы образовывать связанные состояния). Существуют некоторые указания на существование экзотических адронов, имеющих число валентных кварков больше 3. Предсказываемый глюбол (частица, состоящая из одних глюонов) пока не был обнаружен. В 2005 году на релятивистском коллайдере тяжёлых ионов RHIC была получена кварк-глюонная плазма.

Источник

ГЛЮОНЫ

При испускании и поглощении Г. цвет кварка меняется, а остальные квантовые числа (электрич. заряд, барионное число, аромат )остаются неизменными. Наличие у Г. цветового заряда приводит к их самодействию, т. е. к возможности поглощения и испускания глюонов глюонами. Именно это свойство обусловливает наличие в КХД асимптотической свободы, означающей убывание цветового эффективного заряда с уменьшением расстояния. Самодействие глюонного поля приводит также к нелинейности ур-ний движения; считается, что именно эта нелинейность ответственна за явление удержания цвета, благодаря к-рому Г. и кварки не могут быть зарегистрированы как свободные частицы, а реальные адроны являются бесцветными [синглетными по группе SU(S)]связанными состояниями кварков и глюонов. Однако это свойство пока не доказано.

Г., несомненно, играют большую роль в механизме строения адронов. Это подтверждается следующим: 1) из глубоко неупругих процессов рассеяния на нуклонах вытекает, что на долю Г. приходится ок. 50% всей энергии нуклона; примерно такую же долю энергии несут Г. в пионах; 2 )в методе, осн. на феноменологич. учёте влияния глюонного и кваркового вакуумного конденсата на параметры адронных резонансов, первый, как правило, играет доминирующую роль.

, ,т.

Источник

Просто о сложном: бозоны, фермионы, кварки и другие элементарные составляющие Вселенной

Теории и практики

Из-за обширной терминологии большинство популярных книг и статей по физике элементарных частиц не углубляются дальше самого факта существования кварков. Сложно что-либо обсуждать, если широкой аудитории не до конца понятны основные термины. Студент МФТИ и сотрудник лаборатории фундаментальных взаимодействий Владислав Лялин взял на себя функцию путеводителя в то, что называется Стандартной моделью, — главенствующую физическую теорию, объясняющую все известные науке частицы и их взаимодействие между собой, то есть устройство Вселенной на самом глубоком уровне.

Строение вещества

Владислав Лялин

Итак, все состоит из молекул, а молекулы состоят из атомов. Атом состоит из ядра и облаков электронов вокруг него, которые совершают куда более сложные движения, чем просто вращение. Ядро примерно в 10 тысяч раз меньше размера атома, хотя это и есть почти вся его масса, и состоит из протонов и нейтронов. Как правило, на этом большинство школьных курсов физики заканчиваются, но на этом не заканчивается физика. В 50-х годах прошлого века ученые знали о существовании пяти частиц, которые они называли элементарными. Это были протон, нейтрон, электрон, фотон и электронное нейтрино. Уже через несколько десятков лет (с появлением первых коллайдеров) частиц, которые стоило бы причислить к элементарным, стало несколько десятков, и это число только росло. Термин «элементарная частица» пришлось пересматривать — и заодно придумывать новую теорию, еще сильнее углубляться в строение вещества. Со временем была создана теория, названная Стандартной моделью, описывающая все известные взаимодействия (кроме гравитации).

Еще с древних времен материя и силы (взаимодействия) в физике были отделены. Эта идея присутствует и в Стандартной модели. Все элементарные частицы в ней делятся на «кирпичики материи» — фермионы и переносчики взаимодействия — бозоны. Эти классы частиц сильно отличаются друг от друга, одним из самых ярких отличий является отсутствие принципа запрета Паули у бозонов. Грубо говоря, в одной точке пространства может быть не более одного фермиона, но сколько угодно бозонов.

Бозоны

В Стандартной модели всего шесть элементарных бозонов. Фотон не обладает электрическим зарядом, он передает электромагнитное взаимодействие — то самое, которое связывает атомы в молекулы. Глюон передает сильное взаимодействие и обладает своим видом заряда (об этом еще будет сказано). Именно сильное взаимодействие отвечает за ядерные силы, скрепляющие протоны и нейтроны в ядрах. W+, W- и Z0 означает, что бозоны заряжены соответственно положительно, отрицательно и нейтрально (не заряжены). Они отвечают за так называемое слабое взаимодействие, которое умеет превращать одни частицы в другие. Самый простой пример слабого взаимодействия — распад нейтрона: один из кварков, составляющих нейтрон, излучает W-бозон и превращается в другой кварк, а распадается на электрон и нейтрино.

Остается последний бозон — бозон Хиггса. Теоретически он был предсказан еще в 60-х годах прошлого века, но экспериментально его существование было доказано только в 2013 году. Он отвечает за инертную массу элементарных частиц — именно массу, ответственную за эффекты инерции, а не притяжения. Квантовой теории, которая связала бы и инерцию, и гравитацию, пока что нет.

Фермионы

Элементарных фермионов гораздо больше, чем элементарных бозонов. Их делят на два класса: лептоны и кварки. Они отличаются тем, что кварки участвуют в сильном взаимодействии, а лептоны — нет.

Лептоны

Кварки

В английском слово funny может иметь значения «забавный» и «странный». Вот кварки как раз и есть funny. Они забавно называются: верхний, нижний, странный, очарованный, прелестный и истинный. И они очень странно себя ведут. Существует три поколения кварков, по два кварка в каждом, и точно так же у них у всех существуют античастицы. Кварки участвуют как в электромагнитном и слабом взаимодействиях, так и в сильном. Для заметки: фермионы, участвующие в сильном взаимодействии, называются адронами; таким образом, адроны — это частицы, состоящие из кварков. Поэтому Большой адронный коллайдер, собственно, называется адронным: там сталкивают протоны или ядра атомов (адроны), но не электроны. Кварки любят образовываться в частицы из трех и двух кварков, но никогда не появляются по одному. В этом и заключается их странность. Частицы из трех кварков называют барионами, а из двух — мезонами.

Почему они так делают? Это происходит из-за особенностей сильного взаимодействия, которое удерживает кварки в адронах. Сильное взаимодействие очень интересно: вместо одного заряда, как в электромагнитном, у сильного их бывает три. И оказывается, что существуют только нейтральные частицы, а нейтральной частица может быть, только если в ней есть либо три разных заряда одного знака, либо два одинаковых заряда разного знака. Из-за этой особенности (и для удобства) заряды начали называть красным, зеленым и синим, а соответствующие отрицательные заряды — антикрасным, антизеленым и антисиним. Получается, что если взять красный, зеленый и синий, мы получим белый, то есть нейтральный; если взять красный и антикрасный, мы тоже получим белый. Это легко запоминается, но стоит подчеркнуть, что это не имеет никакого отношения к цветам, к которым мы привыкли в жизни. Это просто красивая и удобная аналогия со смешиванием. В Стандартной модели каждый кварк может быть любого из трех цветов, а антикварк — любого из трех «антицветов». Получается, что ни один из кварков не может быть непосредственно зарегистрирован, ведь свободно существовать могут только бесцветные частицы, а кварки «раскрашены». Эта особенность их поведения называется конфайнментом, что с английского дословно переводится как «заточение».

Конфайнмент

Хорошо — допустим, что кварки не могут существовать свободно. Но что если просто взять мезон, состоящий из двух кварков, и разорвать его на две части? Не получим ли мы два кварка? (На самом деле нет.) Представьте, что мезон очень сильно растягивают. В отличие от электромагнитного, сильное взаимодействие тем сильнее до определенного предела, чем взаимодействующие частицы дальше друг от друга. Это похоже на пружину: чем сильнее ее растягивать, тем сильнее она будет сжиматься и тем больше у нее будет энергии. Чтобы сильнее стягивать кварки, сильное взаимодействие создает новые глюоны. И чем дальше мы их растягиваем, тем больше глюонов создается. Но в момент энергия этих созданных глюонов становится настолько большой, что выгоднее становится создать новую пару кварк-антикварк, чем продолжать плодить глюоны. Много глюонов исчезает, вместо них появляются кварк и антикварк. В момент появления кварк-антикварковой пары из четырех кварков создаются два мезона, каждый из которых бесцветен.

Может показаться, что теория замкнута сама на себе и что кварков на самом деле не существует, а конфайнмент, по сути, костыль, который придумали только для того, чтобы прекратить поиски кварков; что это просто удобная модель, которая не имеет под собой физического обоснования. Долгое время в научных кругах ходила такая мысль. Однако поздние теоретические исследования и недавние экспериментальные показывают, что при определенных условиях кварки могут покидать адроны. Более того, это состояние материи существовало практически сразу после большого взрыва, и только после сильного охлаждения кварки связались в адроны. Такое состояние материи сейчас исследуют на Большом адронном коллайдере в эксперименте ALICE. Для его получения нужна температура в два триллиона градусов. Это состояние материи называется кварк-глюонной плазмой.

Для понимания, что есть кварк-глюонная плазма, стоит провести аналогию. Представьте себе воду в невесомости. Она находится в жидком агрегатном состоянии, и сил поверхностного натяжения она имеет вид шара — можно сказать, что она заточена в этот шар. Начнем повышать температуру. Когда она достигнет 100 градусов, вода начнет кипеть, активно испаряться и со временем полностью станет паром, у которого уже не будет силы поверхностного натяжения. Явление превращения воды в пар называется фазовым переходом. Если продолжить нагревать пар, то примерно при 1 400 градусах молекулы воды разделятся на водород и кислород — сдиссоциируют, — и вода станет смесью кислородной и водородной плазм. Это еще один фазовый переход. Теперь возьмем газ — но не из молекул воды, а из адронов — и начнем его нагревать. Придется нагревать весьма сильно, потому что для фазового перехода нужна температура примерно в два триллиона градусов. При такой температуре адроны как бы «диссоциируют» в свободные кварки и глюоны. Таким образом, адрон совершит фазовый переход в состояние кварк-глюонной плазмы. Это явление называется деконфайнментом, то есть процессом освобождения кварков из адронов.

В поисках теории всего

Последнего экспериментального подтверждения Стандартная модель ждала около 50 лет, но теперь бозон Хиггса найден — что дальше? Можно ли думать, что великие открытия закончились? Конечно, нет. Стандартная модель изначально не претендовала на звание теории всего (ведь она не включает в себя описание гравитации). Более того, в декабре прошлого года ATLAS и CMS в коллаборации опубликовали статьи о возможном обнаружении новой тяжелой частицы, не вписывающейся в Стандартную модель. И физики не грустят, а, наоборот, рады, ведь сам Большой адронный коллайдер строили не для того, чтобы подтверждать уже известное, а чтобы открывать новое. И так же «новая физика» не говорит о том, что Стандартная модель будет вычеркнута и предана анафеме. Мы ученые, и если что-то точно работает (а Стандартная модель это доказала), то оно должно быть частным случаем любой новой теории, иначе новая теория будет противоречить старым экспериментам. Для примера: механика Ньютона является прекрасной моделью для описания движения с низкими (значительно меньше скорости света) скоростями — несмотря на то, что сейчас мы знаем специальную теорию относительности. Точно так же, когда появятся новые модели (или модификации Стандартной), будут существовать условия, при которых будет верно то, что мы знаем сейчас.

Источник