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Gluon

A gluon ( / ɡ l û ɒ n / ) ist ein Elementarteilchen , die als Austauschpartikel (oder wirkt Eichboson ) für die starke Kraft zwischen Quarks . Es ist analog zum Austausch von Photonen in der elektromagnetischen Kraft zwischen zwei geladenen Teilchen . [6] Laienhaft gesprochen "kleben" sie Quarks zusammen und bilden Hadronen wie Protonen und Neutronen .

Gluon
Feynmann-Diagramm Gluon Radiation.svg
Diagramm 1: In Feynman-Diagrammen werden emittierte Gluonen als Helices dargestellt. Dieses Diagramm zeigt die Vernichtung eines Elektrons und Positrons .
KompositionElementarteilchen
StatistikenBosonisch
InteraktionenStarke Interaktion
SymbolG
TheoretisiertMurray Gell-Mann (1962) [1]
Entdeckte + e − → Υ(9.46) → 3g: 1978 bei DORIS ( DESY ) durch PLUTO-Experimente (siehe Diagramm 2 und Erinnerung [2] )

und

e + e − → q q g: 1979 bei PETRA ( DESY ) durch TASSO , MARK-J , JADE und PLUTO Experimente (siehe Diagramm 1 und Übersicht [3] )
Typen8
Masse0 (theoretischer Wert) [4]
<1,3 meV/ c 2 {\displaystyle c^{2}} c^{2}(experimentelle Grenze) [5] [4]
Elektrische Ladung0  und [4]
FarbgebührOktett (8 linear unabhängige Typen)
Rotieren1

Technisch gesehen sind Gluonen Vektor- Gauge-Bosonen , die starke Wechselwirkungen von Quarks in der Quantenchromodynamik (QCD) vermitteln. Gluonen selbst tragen die Farbladung der starken Wechselwirkung. Dies ist anders als beim Photon , das die elektromagnetische Wechselwirkung vermittelt, aber keine elektrische Ladung besitzt. Gluonen sind daher zusätzlich zur Vermittlung an der starken Wechselwirkung beteiligt, was die Analyse von QCD deutlich schwieriger macht als die Quantenelektrodynamik (QED).

Eigenschaften

Das Gluon ist ein Vektorboson , was bedeutet, dass es wie das Photon einen Spin von 1 hat. Während massive Spin-1-Teilchen drei Polarisationszustände haben, haben masselose Eichbosonen wie das Gluon nur zwei Polarisationszustände, da die Eichinvarianz die Polarisation erfordert quer zur Bewegungsrichtung des Gluons sein. In der Quantenfeldtheorie erfordert die ungebrochene Eichinvarianz, dass Eichbosonen eine Masse von Null haben. Experimente begrenzen die Ruhemasse des Gluons auf weniger als einige meV/ c 2 . Das Gluon hat eine negative intrinsische Parität .

Gluonen zählen

Im Gegensatz zum einzelnen Photon der QED oder den drei W- und Z-Bosonen der schwachen Wechselwirkung gibt es in der QCD acht unabhängige Gluon-Typen.

Dies mag intuitiv schwer zu verstehen sein. Quarks tragen drei Arten von Farbladungen ; Antiquarks tragen drei Arten von Anticolor. Man kann sich Gluonen vorstellen, die sowohl Farbe als auch Anticolor tragen. Dies ergibt neun mögliche Kombinationen von Farbe und Antifarbe in Gluonen. Im Folgenden finden Sie eine Liste dieser Kombinationen (und ihrer schematischen Namen):

  • rot-antirot ( r r ¯ {\displaystyle r{\bar {r}}} r\bar{r}), rot-antigrün ( r G ¯ {\displaystyle r{\bar {g}}} r\bar{g}), rot-antiblau ( r b ¯ {\displaystyle r{\bar {b}}} r\bar{b})
  • grün-antirot ( G r ¯ {\displaystyle g{\bar {r}}} g\bar{r}), grün-antigrün ( G G ¯ {\displaystyle g{\bar {g}}} g\bar{g}), grün-antiblau ( G b ¯ {\displaystyle g{\bar {b}}} g\bar{b})
  • blau-antirot ( b r ¯ {\displaystyle b{\bar {r}}} b\bar{r}), blau-antigrün ( b G ¯ {\displaystyle b{\bar {g}}} b\bar{g}), blau-antiblau ( b b ¯ {\displaystyle b{\bar {b}}} b\bar{b})
Diagramm 2: e + e − → Υ(9.46) → 3g

Dies sind nicht die tatsächlichen Farbzustände beobachteter Gluonen, sondern effektive Zustände. Um ihre Kombination richtig zu verstehen, ist es notwendig, die Mathematik der Farbladung genauer zu betrachten.

Farb-Singulett-Zustände

Es wird oft gesagt, dass die in der Natur beobachteten stabilen, stark wechselwirkenden Teilchen (wie das Proton und das Neutron, also Hadronen ) "farblos" sind, genauer gesagt, sie befinden sich in einem "Farbsingulett"-Zustand, der mathematisch einem Spin entspricht Singulett-Zustand . [7] Solche Zustände erlauben die Interaktion mit anderen Farbsinguletts, aber nicht mit anderen Farbzuständen; da es keine weitreichenden Gluon-Wechselwirkungen gibt, zeigt dies, dass auch Gluonen im Singulett-Zustand nicht existieren. [7]

Der Farb-Singulett-Zustand ist: [7]

(( r r ¯ + b b ¯ + G G ¯ ) / 3 . {\displaystyle (r{\bar{r}}+b{\bar{b}}+g{\bar{g}})/{\sqrt {3}}.} (r{\bar {r}}+b{\bar {b}}+g{\bar {g}})/{\sqrt {3}}.

Mit anderen Worten, wenn man die Farbe des Zustands messen könnte, wäre er mit gleicher Wahrscheinlichkeit rot-antirot, blau-antiblau oder grün-antigrün.

Acht Farben

Es gibt acht verbleibende unabhängige Farbzustände, die den "acht Typen" oder "acht Farben" von Gluonen entsprechen. Da Zustände wie oben beschrieben miteinander gemischt werden können, gibt es viele Möglichkeiten, diese Zustände darzustellen, die als "Farboktett" bekannt sind. Eine häufig verwendete Liste ist: [7]

(( r b ¯ + b r ¯ ) / 2 {\displaystyle (r{\bar{b}}+b{\bar{r}})/{\sqrt {2}}} (r{\bar {b}}+b{\bar {r}})/{\sqrt {2}}        - - ich (( r b ¯ - - b r ¯ ) / 2 {\displaystyle -i(r{\bar{b}}-b{\bar{r}})/{\sqrt {2}}} -i(r{\bar {b}}-b{\bar {r}})/{\sqrt {2}}
(( r G ¯ + G r ¯ ) / 2 {\displaystyle (r{\bar {g}}+g{\bar {r}})/{\sqrt {2}}} (r{\bar {g}}+g{\bar {r}})/{\sqrt {2}} - - ich (( r G ¯ - - G r ¯ ) / 2 {\displaystyle -i(r{\bar{g}}-g{\bar{r}})/{\sqrt {2}}} -i(r{\bar {g}}-g{\bar {r}})/{\sqrt {2}}
(( b G ¯ + G b ¯ ) / 2 {\displaystyle (b{\bar {g}}+g{\bar {b}})/{\sqrt {2}}} (b{\bar {g}}+g{\bar {b}})/{\sqrt {2}} - - ich (( b G ¯ - - G b ¯ ) / 2 {\displaystyle -i(b{\bar {g}}-g{\bar {b}})/{\sqrt {2}}} -i(b{\bar {g}}-g{\bar {b}})/{\sqrt {2}}
(( r r ¯ - - b b ¯ ) / 2 {\displaystyle (r{\bar {r}}-b{\bar {b}})/{\sqrt {2}}} (r{\bar {r}}-b{\bar {b}})/{\sqrt {2}} (( r r ¯ + b b ¯ - - 2 G G ¯ ) / 6 . {\displaystyle (r{\bar {r}}+b{\bar {b}}-2g{\bar {g}})/{\sqrt {6}}.} (r{\bar {r}}+b{\bar {b}}-2g{\bar {g}})/{\sqrt {6}}.

Diese entsprechen den Gell-Mann-Matrizen . Das entscheidende Merkmal dieser besonderen acht Zustände ist, dass sie linear unabhängig sind und auch unabhängig vom Singulett-Zustand, also 3 2  − 1 oder 2 3 . Es gibt keine Möglichkeit, eine Kombination dieser Zustände hinzuzufügen, um einen anderen zu erzeugen, und es ist auch unmöglich, sie zu addieren, um r r , g g oder b b [8] zum verbotenen Singulett-Zustand zu machen . Es gibt viele andere Möglichkeiten, aber alle sind mathematisch gleichwertig, mindestens gleich kompliziert und liefern die gleichen physikalischen Ergebnisse.

Details zur Gruppentheorie

Technisch gesehen ist QCD eine Eichtheorie mit SU(3) Eichsymmetrie. Quarks werden als Spinoren in N f Flavours eingeführt , jeweils in der Fundamentaldarstellung (Triplett, mit 3 bezeichnet ) der Farbmessgruppe SU(3). Die Gluonen sind Vektoren in der adjungierten Darstellung (Oktette, mit 8 bezeichnet ) der Farbe SU(3). Bei einer allgemeinen Eichgruppe ist die Anzahl der Kraftträger (wie Photonen oder Gluonen) immer gleich der Dimension der adjungierten Darstellung. Für den einfachen Fall von SU( N ) ist die Dimension dieser Darstellung N 2 − 1 .

In Bezug auf die Gruppentheorie ist die Behauptung, dass es keine Farb-Singulett-Gluonen gibt, einfach die Aussage, dass die Quantenchromodynamik eher eine SU(3)- als eine U(3) -Symmetrie hat. Es gibt keinen bekannten a priori Grund dafür, dass eine Gruppe gegenüber der anderen bevorzugt wird, aber wie oben diskutiert, stützen die experimentellen Beweise SU(3). [7] Die U(1)-Gruppe für elektromagnetische Felder kombiniert mit einer etwas komplizierteren Gruppe, die als SU(2) bekannt ist – S steht für „special“ – was bedeutet, dass die entsprechenden Matrizen zusätzlich zur Einheitlichkeit die Determinante +1 haben.

Gefangenschaft

Da Gluonen selbst Farbladungen tragen, nehmen sie an starken Wechselwirkungen teil. Diese Gluon-Gluon-Wechselwirkungen beschränken Farbfelder zu fadenförmigen Objekten, die als „ Flussröhren “ bezeichnet werden und bei Dehnung eine konstante Kraft ausüben. Durch diese Kraft, Quark ist beschränkt innerhalb Kompositpartikel genannt Hadronen . Dies begrenzt effektiv den Bereich der starken Wechselwirkung auf1 × 10 −15 Meter, ungefähr so ​​groß wie ein Atomkern . Ab einer gewissen Distanz nimmt die Energie des Flussrohrs, das zwei Quarks bindet, linear zu. Bei einem ausreichend großen Abstand wird es energetisch günstiger, ein Quark-Antiquark-Paar aus dem Vakuum zu ziehen, als das Flussrohr zu verlängern.

Gluonen teilen auch diese Eigenschaft, in Hadronen eingeschlossen zu sein. Eine Folge davon ist, dass Gluonen nicht direkt an den Kernkräften zwischen Hadronen beteiligt sind. Die Kraftvermittler dafür sind andere Hadronen, die Mesonen genannt werden .

Obwohl in der Normalphase der QCD einzelner Gluonen reisen kann nicht frei, wird vorhergesagt , dass es Hadronen existieren , die vollständig aus Gluonen gebildet werden - genannt glueballs . Es gibt auch Vermutungen über andere exotische Hadronen, in denen echte Gluonen (im Gegensatz zu virtuellen , die in gewöhnlichen Hadronen zu finden sind) Hauptbestandteile wären. Außerhalb der normalen QCD-Phase (bei extremen Temperaturen und Drücken) bildet sich Quark-Gluon-Plasma . In einem solchen Plasma gibt es keine Hadronen; Quarks und Gluonen werden zu freien Teilchen.

Experimentelle Beobachtungen

Quarks und Gluonen (farbig) manifestieren sich durch Fragmentierung in weitere Quarks und Gluonen, die wiederum zu normalen (farblosen) Partikeln hadronisieren, die in Jets korreliert sind. Wie auf Sommerkonferenzen von 1978 [2] enthüllt wurde, lieferte der PLUTO-Detektor am Elektron-Positron-Beschleuniger DORIS ( DESY ) den ersten Beweis dafür, dass die hadronischen Zerfälle der sehr engen Resonanz Υ(9.46) als erzeugte Drei-Jet-Ereignistopologien interpretiert werden können von drei Gluonen. Spätere veröffentlichte Analysen desselben Experiments bestätigten diese Interpretation und auch die Spin = 1-Natur des Gluons [9] [10] (siehe auch die Erinnerung [2] und die PLUTO-Experimente ).

Im Sommer 1979 wurden bei höheren Energien am Elektron-Positron-Beschleuniger PETRA (DESY) wieder Drei-Jet-Topologien beobachtet, nun interpretiert als q q Gluon- Bremsstrahlung , jetzt deutlich sichtbar, von TASSO , [11] MARK-J [12] und PLUTO-Experimente [13] (später 1980 auch von JADE [14] ). Die Spin = 1-Eigenschaft des Gluons wurde 1980 durch TASSO- [15] und PLUTO-Experimente [16] bestätigt (siehe auch Übersicht [3] ). 1991 bestätigte ein anschließendes Experiment am LEP- Speicherring des CERN dieses Ergebnis erneut. [17]

Die Gluonen spielen eine wichtige Rolle bei den elementaren starken Wechselwirkungen zwischen Quarks und Gluonen, die von QCD beschrieben und insbesondere am Elektron-Proton-Collider HERA bei DESY untersucht wurden. Die Anzahl und Impulsverteilung der Gluonen im Proton (Gluonendichte) wurde durch zwei Experimente, H1 und ZEUS , [18] in den Jahren 1996–2007 gemessen . Der Beitrag von Gluonen zum Protonenspin wurde durch das HERMES-Experiment an HERA untersucht. [19] Auch die Gluonendichte im Proton (bei hadronischem Verhalten) wurde gemessen. [20]

Die Farbbeschränkung wird durch das Fehlschlagen von freien Quarksuchen (Suchen nach Bruchteilen) verifiziert . Quarks werden normalerweise paarweise (Quark + Antiquark) produziert, um die Quantenfarb- und Aromazahlen auszugleichen; bei Fermilab wurde jedoch die Einzelproduktion von Top-Quarks gezeigt. [a] [21] Es wurde kein Glueball nachgewiesen.

Dekonfinierung wurde im Jahr 2000 am CERN SPS [22] bei Schwerionenkollisionen behauptet und impliziert einen neuen Aggregatzustand : Quark-Gluon-Plasma , weniger wechselwirkend als im Kern , fast wie in einer Flüssigkeit. Es wurde am Relativistic Heavy Ion Collider (RHIC) in Brookhaven in den Jahren 2004–2010 durch vier gleichzeitige Experimente gefunden. [23] Ein Quark-Gluon-Plasmazustand wurde am CERN Large Hadron Collider (LHC) durch die drei Experimente ALICE , ATLAS und CMS im Jahr 2010 bestätigt. [24]

Jefferson Lab ‚s Continuous Elektronenstrahlbeschleunigeranlage , in Newport News, Virginia , [b] ist einer von 10  Department of Energy Einrichtungen forschen auf Gluonen. Das Labor in Virginia konkurrierte mit einer anderen Einrichtung – dem Brookhaven National Laboratory auf Long Island, New York – um Gelder für den Bau eines neuen Elektron-Ionen-Beschleunigers . [25] Im Dezember 2019 hat das US-Energieministerium das Brookhaven National Laboratory als Standort für den Elektron-Ionen-Beschleuniger ausgewählt . [26]

Siehe auch

  • Quark
  • Hadron
  • Meson
  • Messboson
  • Quark-Modell
  • Quantenchromodynamik
  • Quark-Gluon-Plasma
  • Farbbegrenzung
  • Klebeball
  • Gluonenfeld
  • Gluon-Feldstärketensor
  • Exotische Hadronen
  • Standardmodell
  • Drei-Jet-Events
  • Tiefe inelastische Streuung
  • Quantenchromodynamik Bindungsenergie

Fußnoten

  1. ^ Technisch gesehen handelt es sich bei der Single- Top-Quark- Produktion bei Fermilab immer noch um eine Paarproduktion, aber Quark und Antiquark haben unterschiedliche Geschmacksrichtungen.
  2. ^ Jefferson Lab ist ein Spitzname für die Thomas Jefferson National Accelerator Facility in Newport News, Virginia .

Verweise

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Weiterlesen

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