Глюон

Глюо́н (от англ. gluon, от glue — клей) — элементарная безмассовая частица, переносчик сильного взаимодействия[6].

Говоря простым языком, глюоны — векторные калибровочные бозоны, непосредственно отвечающие за сильное цветовое взаимодействие между кварками в квантовой хромодинамике (КХД)[6]. В отличие от фотонов в квантовой электродинамике (КЭД), которые электрически нейтральны и не взаимодействуют друг с другом[7], глюоны сами несут цветовой заряд и поэтому они не только переносят сильное взаимодействие, но и участвуют в нём. Всего существует 8 независимых типов глюонов, что делает КХД значительно более сложной для понимания, чем КЭД.

Глюон — квант векторного (то есть обладающего единичным спином и отрицательной внутренней чётностью) поля в КХД. Он не имеет массы. В квантовой теории поля ненарушенная калибровочная инвариантность требует, чтобы калибровочный бозон был безмассовым[2] (эксперимент ограничивает массу глюона сверху значением не более нескольких МэВ[3]). Все эти свойства (а также нулевой электрический заряд) сближают его с фотоном.

В то время как массивные векторные частицы имеют три состояния поляризации, безмассовые векторные калибровочные бозоны, такие, как глюон и фотон, имеют только две возможных поляризации из-за того, что калибровочная инвариантность требует поперечной поляризации.

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 — калибровочная теория с SU(3)-симметрией. Кварки представлены как поля спиноров в Nf 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).

не существует. Нумерация глюонов соответствует нумерации матриц Гелл-Манна — генераторов группы SU(3).

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.

В 2005 году на релятивистском коллайдере тяжёлых ионов RHIC была получена кварк-глюонная плазма.

Предсказываемый глюбол (частица, состоящая из одних глюонов; облако глюонов, оторванных от протона при соударении) пока не был ни обнаружен, ни создан искусственно.

Так как глюоны несут в себе цветовой заряд (опять же, в отличие от электронейтральных фотонов), они участвуют в сильных взаимодействиях. Свободные кварки до сих пор не наблюдались, несмотря на многолетние попытки их обнаружения. Аналогичная ситуация создалась и с глюонами. Однако в Фермилабе было статистически обнаружено одиночное рождение топ-кварка[8] (его время жизни слишком мало, чтобы образовывать связанные состояния[9]).

На очень малых расстояниях глубоко внутри адронов взаимодействие между глюонами и кварками постепенно спадает в результате проявления асимптотической свободы[10].

Существуют некоторые указания на существование экзотических адронов, имеющих число валентных кварков больше трёх (см. Пентакварк).