Глюон — переносчик сильного взаимодействия¶

Глюон — элементарная частица, квант поля сильного взаимодействия, переносчик сил между кварками и глюонами. Относится к классу бозонов с целым спином (спин 1), как и фотон или W/Z-бозоны, но в отличие от фотона глюоны несут «цветной» заряд и взаимодействуют между собой. Масса покоя глюона не измерена и, согласно квантовой хромодинамике (КХД), равна нулю. Глюоны — составные кванты глюонного поля, описывающего сильное взаимодействие кварков и глюонов.

¶Теоретическая основа

Сильное взаимодействие описывается квантовой хромодинамикой, разработанной в начале 1970-х годов Дэвидом Гроссом, Франком Вильчеком и Х. Дэвидом Политцером (Нобелевская премия по физике, 2004). Кварки обладают «цветным» зарядом — квантовым числом с тремя значениями (условно «красный», «зелёный», «синий») и тремя антизначениями. Сильное взаимодействие инвариантно относительно преобразований группы SU(3), и его переносчиками являются восемь независимых глюонов — квантов глюонного поля.

В отличие от электромагнетизма, где фотон не заряжен и не взаимодействует с самим собой, глюоны несут комбинацию цветного и антицветного заряда (например, «красный-антизелёный»). Это приводит к тому, что глюоны способны излучать и поглощать другие глюоны, что делает квантовую хромодинамику неабелевой теорией. Следствием является явление асимптотической свободы: на малых расстояниях (высоких энергиях) сила сильного взаимодействия убывает, и кварки ведут себя почти как свободные частицы. На больших расстояниях, наоборот, сила растёт, что приводит к конфайнменту — изолированные кварки и глюоны в природе не наблюдаются, они всегда объединены в адроны.

¶Свойства

Основные характеристики глюонов:

Восемь независимых глюонов соответствуют восьми генераторам алгебры группы SU(3). Теоретически возможны девять «цветных» комбинаций (3×3), но одна комбинация — равномерная суперпозиция всех цветов — отвечает бесцветному (белому) состоянию и не участвует в сильном взаимодействии.

¶Роль в строении адронов

Глюоны играют ключевую роль в строении адронов. В мезонах (например, в пи-мезоне) кварк и антикварк связаны обменом глюонами. В барионах (протоне, нейтроне) три кварка связаны глюонным полем, причём вклад глюонов и их виртуальных пар в массу протона значителен: собственные массы трёх валентных кварков дают лишь малую долю массы протона (около 1 %), остальное приходится на энергию глюонного поля и энергию движения кварков, согласно соотношению E=mc².

Глюоны, как и кварки, подвергаются конфайнменту, поэтому в столкновениях высоких энергий они не выходят наружу как свободные частицы, а фрагментируются в потоки (джеты) адронов. Регистрация таких джетов — один из ключевых экспериментальных признаков глюонов.

¶Экспериментальные подтверждения

Прямые экспериментальные свидетельства существования глюонов получены в 1979 году на электрон-позитронном коллайдере PETRA в Дези (Германия), где в столкновениях e⁺e⁻ при энергиях около 30 ГэВ были обнаружены события с тремя адронными джетами. Третий джет интерпретировался как след излучения глюона электроном или позитроном через виртуальный кварк. Эти эксперименты проводились коллаборациями TASSO, PLUTO, JADE и MARK-J.

Впоследствии глюонные джеты изучались на коллайдерах LEP (CERN), Теватрон (Фермилаб) и Большом адронном коллайдере (CERN). На B-factory в Японии (Belle) и в экспериментах на B-factory в США (BaBar) глюоны исследовались в распадах b-кварков. Точные измерения сильной связи αs проводятся на различных энергиях и подтверждают предсказания КХД об асимптотической свободе.

¶Глюоны и цветной нейтрон

В барионной материи глюоны формируют сложную структуру, которую в некоторых моделях описывают как «цветной нейтрон» — состояние, где суммарный цветной заряд глюонного поля равен нулю. В ядерной физике глюонная структура протона изучается через распределения глюонов по доле момента кварка x (gluon distribution functions), которые имеют большое значение для предсказаний процессов на Большом адронном коллайдере.

¶Открытие и значение

Теория глюонов была предложена независимо несколькими группами физиков в 1972—1973 годах: Х. Фрицшем, М. Гелл-Манном и Г. Цвейгом, а также Д. Гроссом и Ф. Вильчеком. Экспериментальное подтверждение в 1979 году стало важным этапом в установлении стандартной модели. Глюоны, наряду с W и Z-бозонами и фотоном, составляют группу переносчиков фундаментальных взаимодействий стандартной модели, однако в отличие от электрослабых бозонов глюоны остаются ненаблюдаемыми как свободные частицы из-за конфайнмента.

Источники:

• Гросс Д., Вильчек Ф. «Асимптотическая свобода: от сильных взаимодействий до цветных зарядов» // Нобелевская лекция, 2004
• Politzer H. D. «The Discovery of Asymptotic Freedom and the Emergence of QCD» // Nobel Lecture, 2004
• Ellis J., Karliner M. «Electroweak symmetry breaking and new physics at the LHC»
• Bethke S. «Experimental tests of the QCD coupling constant», Physics Reports, 2007
• Povh B., Rith K., Scholz C., Zetsche F. «Частицы и ядра. Введение»
• Halzen F., Martin A. D. «Quarks and Leptons: An Introductory Course in Modern Particle Physics»