Gluón

Gluón  ( g )

Diagrama de Feynman e−
mi+
 aniquilación con la formación de un quark q y un antiquark q y la emisión de un gluon g [1]
Compuesto partícula elemental
Una familia bosón
Grupo bosón calibre [2]
Participa en interacciones fuerte ,
gravitacional
Antipartícula sí mismo (para gluones neutros)
Número de tipos ocho
Peso 0 (valor teórico) [3]
< 1,3 MeV/ s 2 (límite experimental) [4] [5]
Teóricamente justificado Gell-Mann , Zweig ( 1964 )
Descubierto 1979
números cuánticos
Carga eléctrica 0 [3]
carga de color
Girar 1 [6 ]
paridad interna −
Número de estados de giro 2
giro isotópico 0
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Gluon (del inglés  gluon , de glue  — glue) — partícula elemental sin masa, bosón fundamental [7] , campo vectorial cuántico , portador de interacción fuerte [8] [9] .

En términos simples, los gluones son bosones de calibre vectorial que son directamente responsables de la fuerte interacción de color entre los quarks en la cromodinámica cuántica (QCD) [9] . A diferencia de los fotones en la electrodinámica cuántica (QED), que son eléctricamente neutros y no interactúan entre sí [10] , los gluones llevan una carga de color y, por lo tanto, no solo llevan la interacción fuerte, sino que también participan en ella. Hay 8 tipos independientes de gluones en total, lo que hace que QCD sea mucho más difícil de entender que QED.

Propiedades

Los gluones son portadores de la fuerte interacción entre los quarks, que "pegan" los quarks en hadrones . Los números cuánticos de los quarks (carga eléctrica, número de bariones , sabor ) permanecen sin cambios durante la emisión y absorción de los gluones, mientras que el color de los quarks cambia [11] .

Un gluón es un cuanto de un campo vectorial (es decir, que tiene espín unitario y paridad interna negativa ) en QCD . No tiene masa . En la teoría cuántica de campos, la invariancia de calibre ininterrumpida requiere que el bosón de calibre no tenga masa [3] (el experimento limita la masa del gluón desde arriba a no más de unos pocos MeV [4] ). Todas estas propiedades (así como la carga eléctrica nula ) lo acercan a un fotón.

Mientras que las partículas vectoriales masivas tienen tres estados de polarización, los bosones de calibre vectoriales sin masa, como el gluón y el fotón, tienen solo dos polarizaciones posibles debido a la invariancia de calibre que requiere polarización transversal.

El gluón tiene cero isospín . Los gluones incoloros son sus propias antipartículas , es decir, partículas verdaderamente neutras . Los gluones, como los quarks, no están en estado libre en condiciones naturales, sino que forman estados ligados: hadrones [12] .

Historia

M. Gell-Mann y el físico austríaco G. Zweig en 1964 propusieron la hipótesis de que todos los hadrones con un número bariónico B = 0 (mesones) consisten en un par de "quark y antiquark", y con un número B = 1 ( bariones) - se componen de tres quarks. Independientemente unos de otros, la hipótesis de que cada quark tiene tres estados de color diferentes fue expresada en 1965 por los físicos soviéticos N. N. Bogolyubov , B. V. Struminsky , A. N. Tavkhelidze y los estadounidenses M. Khan e I. Nambu . En una forma algo diferente en 1964, el físico estadounidense O. Grinberg [13] expresó una hipótesis similar .

La síntesis de ideas sobre el color de los quarks a principios de los años 70 del siglo XX dio lugar a la teoría cuántica de la interacción fuerte de campos de quarks y gluones coloreados: la cromodinámica cuántica .

Gell-Man, Murry , Harald Fritsch (en alemán: Harald Fritzsch), J. Zweig [14] [ 15] .

El concepto de confinamiento de quarks apareció debido a la imposibilidad de observarlos de forma libre. Es imposible separar un quark de un protón, ya que entre los quarks actúa una fuerza de enlace muy grande. Si, por ejemplo, intenta "criarlos", en unidades humanas sería necesario superar la resistencia equivalente a 14 toneladas. Esta fuerza no disminuye con la distancia, permaneciendo siempre igual. La física teórica llama a esta fuerza cuerda , que se estira entre quarks. Si empujas los quarks más y más, en algún momento la cuerda estallará, dando lugar a los mesones , que consisten en quarks y antiquarks. El "color" del quark no se observa, no tiene significado físico. Solo se observa un cambio en el "color" del quark de un punto a otro. Cada gluón es algo que se encuentra directamente en el protón. La "vida" de un protón en el tiempo se representa como la interacción de tres quarks a través de ocho variedades de gluones [16] .

Después de la aceleración y la colisión de protones, el campo de gluones comienza a "crecer" , y en algún momento se rompe, y en el punto de ruptura nace un par quark-antiquark. Los campos de gluones también pueden colisionar y producir pares "quark-antiquark" [17] .

Materia de quarks-gluones

Los gluones son una parte integral de la materia quark-gluon. La investigación en física en términos de la estructura de la materia es la esencia del estudio del plasma de quarks-gluones. Los físicos están tratando de resolver el problema científico fundamental que se les presenta: en qué consiste la estructura de la materia , cómo se originó y evolucionó la materia bariónica del Universo, que subyace a la materia, ya que las estrellas, los planetas y los seres vivos la componen. Las fuerzas fundamentales de la interacción fuerte, los gluones, son el eslabón de conexión en el proceso de fisión y síntesis de los objetos de la física nuclear [18] [19] .

Como resultado de una fuerte interacción, los nucleones (protones y neutrones) se convierten en bariones , que consisten en tres quarks (se han descubierto más de 100 bariones). Los hadrones están formados por quarks, antiquarks y gluones. Las partículas inestables de un número igual de quarks y antiquarks forman mesones (quark-antiquark). Los quarks y gluones están "encerrados" en hadrones. Los quarks y gluones libres eliminados durante la interacción fuerte de los núcleos bajo ciertas condiciones ( desconfinamiento de quarks y gluones) se someten al proceso de hadronización , que se detiene en chorros de hadrones (chorro). Este estado de la materia se denomina plasma de quarks-gluones [18] [20] .

El plasma de quarks-gluones se caracteriza por una temperatura extremadamente alta y una alta densidad de energía que supera un valor crítico. Los científicos llevan a cabo experimentos en el campo del estudio de interacciones fuertes en aceleradores de núcleos de energía súper alta . La física moderna estudia la evolución y las propiedades de la materia de quarks y gluones . Presuntamente, el Universo consistió en tal sustancia unos momentos después de la aparición ( Big Bang ) [18] . La física de la materia de quarks y gluones es una de las áreas clave de la física moderna, que combina la física de partículas elementales, la física nuclear y la cosmología [18] [21] .

Numerología de gluones

A diferencia de un solo fotón en QED o tres bosones W y Z que tienen interacciones débiles , hay 8 tipos independientes de gluones en QCD.

Los quarks pueden llevar tres tipos de carga de color; Los antiquarks son tres tipos de anticolor. Los gluones pueden entenderse como portadores tanto de color como de anticolor, o como una explicación del cambio de color de un quark durante las interacciones. Basado en el hecho de que los gluones tienen una carga de color distinta de cero, uno podría pensar que solo hay seis gluones. Pero en realidad son ocho, ya que, técnicamente hablando, QCD es una teoría de calibre con simetría SU (3) . Los quarks se representan como campos espinores en Nf sabores , cada uno en una representación fundamental (triplete, denotado 3 ) del grupo calibre de color, SU (3) . Los gluones son campos vectoriales en la representación adjunta (octetos, denotados 8 ) del grupo de color SU (3) . En términos generales, para un grupo de indicadores, el número de portadores de interacción (como fotones y gluones) siempre es igual a la dimensión de la representación adjunta. Para el caso simple SU ( N ) la dimensión de esta representación es N 2 − 1 .

En términos de teoría de grupos, la afirmación de que no hay gluones singlete de color es simplemente una afirmación de que la cromodinámica cuántica tiene simetría SU (3) , no simetría U (3) . No hay razones a priori para preferir uno u otro grupo, pero el experimento es consistente solo con SU (3) .

Gluones de colores:

Gluones incoloros:

Tercer estado incoloro:

no existe. La numeración de los gluones corresponde a la numeración de las matrices de Gell-Mann , generadoras del grupo SU(3).

Observaciones experimentales

Los quarks y gluones (coloreados) se manifiestan decayendo en más quarks y gluones, que a su vez se hadronizan en partículas normales (incoloras) recolectadas en chorros. Como resultó en 1978 en conferencias de verano [22] , el detector PLUTO ] en el colisionador de electrones-positrones DORIS ( DESY ) recibió la primera evidencia de que las desintegraciones hadrónicas de una resonancia muy estrecha Υ (9.46) pueden interpretarse geométricamente como un evento de tres chorros creado por tres gluones. Los análisis publicados más tarde del mismo experimento confirmaron esta interpretación, así como spin = 1 gluon [23] [24] (ver también colección [22] ).

En el verano de 1979, a energías más altas, el colisionador de electrones y positrones PETRA (DESY) volvió a observar eventos de tres chorros, ahora interpretados como q q gluon bremsstrahlung , ahora claramente visibles por la colaboración TASSO [25] , MARK-J [26] y PLUTO [27] (posteriormente en 1980 también JADE [28] ). El giro del gluón igual a 1 fue confirmado en 1980 por los experimentos TASSO [29] y PLUTO [30] (ver también la revisión). En 1991, un experimento posterior en el anillo de almacenamiento LEP en el CERN volvió a confirmar este resultado [31] .

Los gluones juegan un papel importante en las interacciones fuertes elementales entre quarks y gluones, descritas por QCD y estudiadas, en particular, en el colisionador de electrones y protones HERA en DESY. El número y la distribución del momento de los gluones en un protón (densidad de gluones) se midieron mediante dos experimentos, H1 y ZEUS [32] en 1996–2007. La contribución de los gluones al espín del protón se estudió en el experimento HERMES en HERA [33] . También se ha medido la densidad de gluones (cuando se comporta como un hadrón) en un protón [34] .

El confinamiento se confirma por la falta de búsqueda de quarks libres (búsqueda de cargas fraccionarias). Los quarks generalmente se producen en pares (quark + antiquark) para compensar los números cuánticos de color y sabor; sin embargo , en el Fermilab [a] [35] se mostró una sola producción de quarks top .

El descubrimiento del desconfinamiento se anunció en 2000 en el CERN SPS [36] en colisiones de iones pesados , lo que implica un nuevo estado de la materia: plasma de quarks-gluones , con menor interacción que en los núcleos , casi como en un líquido . Fue descubierto en el Colisionador Relativista de Iones Pesados ​​(RHIC) en Brookhaven en 2004-2010 como resultado de cuatro experimentos simultáneos [37] . El estado de quark-gluón del plasma se confirmó en el Gran Colisionador de Hadrones (LHC) del CERN y en tres experimentos ALICE , ATLAS y CMS en 2010 [38] .

El acelerador CEBAF en el Laboratorio Jefferson en Newport News, Virginia , es una de las 10  instalaciones del DOE dedicadas a la investigación de gluones. El laboratorio de Virginia compitió con otra institución, el Laboratorio Nacional de Brookhaven en Long Island, Nueva York, por fondos para construir un nuevo colisionador de iones de electrones [39] . En diciembre de 2019, el Departamento de Energía de EE. UU. seleccionó al Laboratorio Nacional de Brookhaven para albergar el Electron Ion Collider [40] .

La primera prueba experimental directa de la existencia de gluones se obtuvo en 1979, cuando se detectaron eventos con tres chorros de hadrones en experimentos en el colisionador de electrones-positrones PETRA en el centro de investigación DESY ( Hamburgo , Alemania ) , dos de los cuales fueron generados por quarks. y el tercero por un gluón.

La evidencia indirecta de la existencia de gluones se obtuvo diez años antes en un análisis cuantitativo del proceso de dispersión inelástica profunda de electrones en un protón/neutrón, realizado en el laboratorio estadounidense SLAC .

En 2005, se obtuvo un plasma de quarks-gluones en el colisionador de iones pesados ​​relativistas RHIC .

La bola de pegamento predicha ( una partícula que consta únicamente de gluones; una nube de gluones separados de un protón durante una colisión) aún no se ha descubierto ni creado artificialmente.

Confinamiento

Dado que los gluones llevan una carga de color (nuevamente, a diferencia de los fotones eléctricamente neutros), participan en fuertes interacciones. Aún no se han observado quarks libres, a pesar de muchos años de intentos por detectarlos. Una situación similar ha surgido con los gluones. Sin embargo, se detectó estadísticamente una sola producción de un quark top en el Fermilab [41] (su tiempo de vida es demasiado corto para formar estados ligados [42] ).

A distancias muy pequeñas, en las profundidades de los hadrones , la interacción entre gluones y quarks disminuye gradualmente como resultado de la manifestación de la libertad asintótica [43] .

Hay algunos indicios de la existencia de hadrones exóticos que tienen más de tres quarks de valencia (ver Pentaquark ).

Véase también

Notas

Comentarios

  1. ↑ Técnicamente, la creación de un solo quark t en Fermilab todavía está emparejada, pero el quark y el antiquark tienen sabores diferentes.

Fuentes

  1. ↑ John Ellis, Mary K. Gaillard y Graham G. Ross . Buscar gluones en e + e - Annihilation   // Física nuclear . - 1975. - vol. B111 . — pág. 253–271 . - doi : 10.1016/0550-3213(76)90542-3 .
  2. ↑ J. Beringer et al., "The Review of Particle Physics", Physical Review D, 86, no. 86, (enero de 2012)
  3. ↑ 1 2 3 K. A. oliva et al. Revisión de física de partículas (neopr.)  // Phys. chino. C. - 2014. - T. 38 . - S. 090001 . -doi : 10.1088 / 1674-1137/38/9/090001 .  
  4. ↑ 1 2 F. Yndurain. Límites en la masa del gluón   // Physics Letters B : diario. - 1995. - vol. 345 , núm. 4 . — Pág. 524 . -doi : 10.1016 / 0370-2693(94)01677-5 . - .
  5. ↑ Tabla resumen de las propiedades de los gluones Archivado el 21 de julio de 2015 en Wayback Machine , conocido a partir de 2014 // Particle Data   Group
  6. ↑ Lev Okun. Conceptos básicos y leyes de la física y propiedades de las partículas elementales de la materia. Modelo estándar y más allá Archivado el 30 de diciembre de 2014 en Wayback Machine .
  7. ↑ Partículas elementales . msu.ru._ _ Consultado el 15 de febrero de 2022. Archivado desde el original el 25 de diciembre de 2021.
  8. ↑ V. S. Kirchanov. Física atómica y nuclear . - Perm: Editorial de Perm. Universidad Estatal, 2012. - S. 16-17. — 82 págs.
  9. ↑ 1 2 A. V. Efremov. Gluones  // Enciclopedia Física / Cap. edición A. M. Projorov. - M. : Enciclopedia soviética, 1988.
  10. ↑ en el primer orden de la teoría de la perturbación.
  11. ↑ Gluones  / M. Yu. Khlopov  // Gran Enciclopedia Rusa  : [en 35 volúmenes]  / cap. edición Yu. S. Osipov . - M.  : Gran Enciclopedia Rusa, 2004-2017.
  12. ↑ Dmitri Kazakov. Partículas elementales. Cómo se ordena la materia . PostCiencia . Consultado el 15 de febrero de 2022. Archivado desde el original el 15 de febrero de 2022.
  13. ↑ SS Gershtein. ¿Qué es una carga de color o qué fuerzas unen a los quarks  ? // Revista educativa de Sorovsky. - 2000. - Nº 6 . - S. 78-84 .
  14. ↑ VM Skokov. Cromodinámica Cuántica . www.spravochnick.ru . Consultado el 18 de febrero de 2022. Archivado desde el original el 18 de febrero de 2022.
  15. ↑ Olga Kaliteevskaya. Fuertes interacciones de hadrones y quarks . docplayer.com . Consultado el 14 de febrero de 2022. Archivado desde el original el 15 de febrero de 2022.
  16. ↑ Dmitri Dyakonov. Quarks, o de dónde viene la masa . Polit.ru . Consultado el 10 de febrero de 2022. Archivado desde el original el 15 de febrero de 2022.
  17. ↑ Ígor Ivanov. El asombroso mundo dentro del núcleo atómico . Proyecto de divulgación científica "Elementos de la gran ciencia" . FIAN. Consultado el 10 de febrero de 2022. Archivado desde el original el 15 de febrero de 2022.
  18. ↑ 1 2 3 4 CERN. CERN, 11 de octubre de 2013 Física de plasma de quarks y gluones en ALICE QGP . myshared.ru _ Consultado el 15 de febrero de 2022. Archivado desde el original el 16 de febrero de 2022.
  19. ↑ I. Roizen. Plasma de quarks-gluones . Consultado el 15 de febrero de 2022. Archivado desde el original el 16 de febrero de 2022.
  20. ^ "Revertir la física moderna". Lo que vimos en el Gran Colisionador de Hadrones . ria.ru._ _ Consultado el 15 de febrero de 2022. Archivado desde el original el 17 de febrero de 2022.
  21. ↑ Anatomy of one news, o Cómo estudian los físicos las partículas elementales . elementy.ru . Consultado el 15 de febrero de 2022. Archivado desde el original el 16 de febrero de 2022.
  22. ↑ 12 BR _ Stella y H.-J. Mayer (2011). "Υ (9,46 GeV) y el descubrimiento de gluones (un recuerdo crítico de los resultados de PLUTO)". revista fisica europea h . 36 (2): 203-243. arXiv : 1008.1869v3 . Código Bib : 2011EPJH...36..203S . DOI : 10.1140/epjh/e2011-10029-3 .
  23. ↑ Berger, cap. (1979). "Análisis de chorro de la descomposición de Υ (9.46) en hadrones cargados". Física Letra B. 82 (3-4). Código Bib : 1979PhLB...82..449B . DOI : 10.1016/0370-2693(79)90265-X .
  24. ↑ Berger, cap. (1981). “Topología del decaimiento Υ”. Piel Zeitschrift Physik C . 8 (2). Código Bib : 1981ZPhyC...8..101B . DOI : 10.1007/BF01547873 .
  25. ↑ Brandelik, R. (1979). "Evidencia de eventos planares en e + e - aniquilación en altas energías". Física Letra B. 86 (2): 243-249. Código Bib : 1979PhLB...86..243B . DOI : 10.1016/0370-2693(79)90830-X .
  26. ↑ Barber, DP (1979). "Descubrimiento de eventos de tres chorros y una prueba de cromodinámica cuántica en PETRA". Cartas de revisión física . 43 (12). Código Bib : 1979PhRvL..43..830B . DOI : 10.1103/PhysRevLett.43.830 .
  27. ↑ Berger, cap. (1979). "Evidencia de Gluon Bremsstrahlung en e + e - Aniquilaciones a altas energías". Física Letra B. 86 (3-4). Código Bib : 1979PhLB...86..418B . DOI : 10.1016/0370-2693(79)90869-4 .
  28. ↑ Bartel, W. (1980). "Observación de eventos de tres chorros planos en e +  e - aniquilación y evidencia de gluon bremsstrahlung" . Física Letra B. 91 (1). Código Bib : 1980PhLB...91..142B . DOI : 10.1016/0370-2693(80)90680-2 . Archivado desde el original el 16 de julio de 2020 . Consultado el 18 de febrero de 2022 . Parámetro obsoleto utilizado |deadlink=( ayuda )
  29. ↑ Brandelik, R. (1980). "Evidencia de un gluón spin-1 en eventos de tres chorros". Física Letra B. 97 (3-4). Código Bib : 1980PhLB...97..453B . DOI : 10.1016/0370-2693(80)90639-5 .
  30. ↑ Berger, cap. (1980). "Un estudio de eventos de chorros múltiples en e +  e − aniquilación". Física Letra B. 97 (3-4). Código Bib : 1980PhLB...97..459B . DOI : 10.1016/0370-2693(80)90640-1 .
  31. ↑ Alejandro, G. (1991). “Medición de distribuciones de tres chorros sensibles al espín del gluón en e +  e − Aniquilaciones a √s = 91 GeV”. Piel Zeitschrift Physik C . 52 (4). Código Bib : 1991ZPhyC..52..543A . DOI : 10.1007/BF01562326 .
  32. ↑ Lindeman, L. (1997). "Funciones de la estructura de protones y densidad de gluones en HERA". Física nuclear B: Suplementos de actas . 64 (1): 179-183. Código Bib : 1998NuPhS..64..179L . DOI : 10.1016/S0920-5632(97)01057-8 .
  33. ↑ El mundo del hilado en DESY . www-hermes.desy.de . Consultado el 26 de marzo de 2018. Archivado desde el original el 25 de mayo de 2021.
  34. ↑ Adloff, C. (1999). “Secciones transversales de partículas cargadas en la fotoproducción y extracción de la densidad de gluones en el fotón”. Diario físico europeo C. 10 (3): 363-372. arXiv : hep-ex/9810020 . Código Bib : 1999EPJC...10..363H . doi : 10.1007/ s100520050761 .
  35. ↑ Chalmers, M. Resultado superior para Tevatron . Physics World (6 de marzo de 2009). Consultado el 2 de abril de 2012. Archivado desde el original el 20 de junio de 2019.
  36. ↑ Abreu, MC (2000). “Evidencia de desconfinamiento de quark y antiquark a partir del patrón de supresión J/Ψ medido en colisiones Pb-Pb en el CERN SpS” . Física Letra B. 477 (1-3): 28-36. Código Bib : 2000PhLB..477...28A . DOI : 10.1016/S0370-2693(00)00237-9 . Archivado desde el original el 18 de febrero de 2022 . Consultado el 18 de febrero de 2022 . Parámetro obsoleto utilizado |deadlink=( ayuda )
  37. ↑ Adiós, D. . En el colisionador Brookhaven, los científicos rompen brevemente una ley de la naturaleza , The New York Times  (15 de febrero de 2010). Archivado desde el original el 18 de abril de 2021. Consultado el 2 de abril de 2012.
  38. ↑ CERN (26 de noviembre de 2010). Los experimentos del LHC aportan nuevos conocimientos sobre el universo primordial . Comunicado de prensa . Archivado desde el original el 3 de noviembre de 2018. Consultado el 18 de febrero de 2022 .
  39. ↑ Nolan . Las esperanzas estatales de una gran explosión económica como ofertas de Jeff Lab para el colisionador de iones , Richmond Times-Dispatch  (19 de octubre de 2015), pp. A1, A7. Archivado desde el original el 18 de febrero de 2022. Consultado el 19 de octubre de 2015.  "Esas pistas pueden dar a los científicos una mejor comprensión de lo que mantiene unido al universo".
  40. ↑ DOE (9 de enero de 2020). El Departamento de Energía de EE. UU. selecciona el Laboratorio Nacional de Brookhaven para albergar una nueva e importante instalación de física nuclear . Comunicado de prensa . Archivado desde el original el 9 de febrero de 2022. Consultado el 18 de febrero de 2022 .
  41. ↑ Los algoritmos inteligentes ayudaron a hacer un descubrimiento en la física de partículas elementales • Igor Ivanov • Noticias científicas sobre elementos • Física . elementy.ru . Consultado el 21 de abril de 2017. Archivado desde el original el 14 de enero de 2017.
  42. ↑ t-quark . Consultado el 26 de julio de 2014. Archivado desde el original el 8 de agosto de 2014.
  43. ↑ Conceptos básicos y leyes de la física y propiedades de las partículas elementales de la materia • L. Okun • Club de lectura sobre "Elementos" • Extractos publicados de libros Interacción fuerte. Confinamiento y libertad asintótica . elementy.ru . Consultado el 21 de abril de 2017. Archivado desde el original el 30 de diciembre de 2014.
  44. ↑ Ivanov I. El asombroso mundo dentro del núcleo atómico. Charla de divulgación científica para escolares, FIAN . elementy.ru (11 de septiembre de 2007). Consultado el 18 de julio de 2015. Archivado desde el original el 15 de julio de 2015.

Literatura

Enlaces

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