Глюон

Глюони мають спін 1 і не мають маси, тому вони мають дві спінові поляризації, проте окрім спінової поляризації вони мають кольоровий заряд, тому загальна кількість поляризацій значно більша. Хоча глюони не мають маси, нелінійні ефекти (те, що самі переносники взаємодії несуть кольоровий заряд) приводять до того, що глюони, як і кварки, не можуть вилітати з атомного ядра. Гіпотетично на порівняно великих відстанях (порядку розмірів нуклона) глюони утворюють протяжні конфігурації — глюонні струни, натяг яких залежить від довжини. Таким чином, потенціальна енергія сильної взаємодії збільшується на «великих» відстанях лінійно ∼ r.

На відміну від єдиного фотона в КЕД чи трьох W- і Z-бозонів, які переносять слабку взаємодію, в КХД існує 8 незалежних типів глюонів.

Кварки можуть нести три типи кольорового заряду, антикварки — три типи антикольорового. Глюони можуть бути осмисленими, як носії одночасно кольорового і антикольорового заряду. Кольори кварків абсолютно довільно назвали червоним, зеленим і синім. Відповідно антикварки можуть бути античервоними, антизеленими і антисиніми.

У квантовій механіці стани частинок можуть додаватися згідно з принципом суперпозиції, тобто частинки можуть бути в комбінованому стані, де їхні квантові числа (кольори) не є однозначно визначеними. Ілюстрацією цього є глюон в кольоровому стані

${\displaystyle (r{\bar {b}}+b{\bar {r}})/{\sqrt {2}}.}$

Це читається як «червоний-антисиній плюс синій-античервоний». (Коефіцієнт у знаменнику необхідний для нормалізації). Якби можна було виміряти колір глюона в цьому стані, то була б ймовірність 50 % того, що глюон має червоний-антисиній кольоровий заряд і така ж ймовірність, що синій-античервоний.

Згідно з теорією груп, всього з трьох кольорів (червоний, синій, зеленій) і трьох антикольорів (античервоний, антисиній, антизелений) для глюонів можна скласти дев'ять можливих парних комбінацій колір-антиколір, причому одна з них є синглетом, в якому кольорові заряди нейтралізують один одного.[2]

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

Як наслідок, дана комбінація не взаємодіє з кварками і такого роду глюона не існує. Залишається вісім глюонів, які переносять кольорову взаємодію, шість з яких мають явний колір:

${\displaystyle g_{1}=(r{\bar {b}}+b{\bar {r}})/{\sqrt {2}},\qquad g_{2}=-i(r{\bar {b}}-b{\bar {r}})/{\sqrt {2}},}$

${\displaystyle g_{4}=(r{\bar {g}}+g{\bar {r}})/{\sqrt {2}},\qquad g_{5}=-i(r{\bar {g}}-g{\bar {r}})/{\sqrt {2}},}$

${\displaystyle g_{6}=(b{\bar {g}}+g{\bar {b}})/{\sqrt {2}},\qquad g_{7}=-i(b{\bar {g}}-g{\bar {b}})/{\sqrt {2}}.}$

А два інші — безколірні (є комбінаціями з так званим захованим кольором) :

${\displaystyle g_{3}=(r{\bar {r}}-b{\bar {b}})/{\sqrt {2}},\qquad g_{8}=(r{\bar {r}}+b{\bar {b}}-2g{\bar {g}})/{\sqrt {6}}.}$

Оскільки глюони самі несуть кольоровий заряд, вони беруть участь в сильній взаємодії. Ці глюон-глюонні взаємодії обмежують кольорові поля до струноподібних об'єктів, які називають «трубками потоку». Вони зумовлюють постійну силу при розтягуванні. Завдяки цій силі, кварки обмежені межами складових частинок, адронів. Це обмежує діапазон сильної взаємодії до 1·10⁻¹⁵ метра, приблизно розмірів атомного ядра і унеможливлює існування у вільному стані кварків із кольоровим зарядом. Глюони з кольоровим зарядом теж утримуються всередині адрона. Вільні кварки досі не спостерігаються, попри численні спроби їхнього виявлення. Аналогічна ситуація з глюонами. На дуже малих відстанях всередині адронів взаємодія між глюонами і кварками поступово слабшає в результаті проявлення асимптотичної свободи.

Існують деякі вказівки на існування екзотичних адронів, що мають більше трьох валентних кварків (пентакварк).

Перше пряме експериментальне підтвердження існування глюонів було отримане влітку 1979 року, коли в експериментах при високих енергіях на електрон-позитронному колайдері PETRA (DESY) в дослідницькому центрі DESY (Гамбург, Німеччина) було виявлено події з трьома адронними пучками, два з яких породжувались кварками і третій — глюоном.[3]

Спін 1 глюона був підтверджений у 1980 році експериментами на TASSO,[3] і PLUTO.[4] Глюони відіграють важливу роль в елементарних взаємодіях між глюонами і кварками, описаних квантовою хромодинамікою і частково вивченими на електронно-позитронному колайдері HERA в дослідницькому центрі DESY. Розподіли кількості і імпульсу глюонів в протоні (густина глюонів у протоні) досліджуються за допомогою двох експериментів H1 i ZEUS,[5] з 1996 і до сьогодні. В 2000 році на SPS[6] у ЦЕРН було заявлено про деконфайнмент, що передбачало існування нового стану матерії — кварк-глюонної плазми. Вона була виявлена на релятивістському колайдері важких іонів (RHIC).[7] в Брукгейвені протягом 2004—2010 років. Стан кварк-глюонної плазми був підтверджений у 2010 році на Великому адронному колайдері в CERN у трьох експериментах: ALICE, ATLAS і CMS.[8] Передбачений глюбол (глюоній) (частинка, що складається тільки з глюонів (хмара глюонів, відірваних від протона при зіткненні) досі не був ні виявлений, ні створений штучно.

• Кварк
• Глюбол
• Кварк-глюонна плазма
• Квантова хромодинаміка
• Глюонне поле

• Индурайн Ф. Квантовая хромодинамика. Введение в теорию кварков и глюонов. — М. : Мир, 1986. — 288 с.

• A. Ali and G. Kramer (2011). JETS and QCD: A historical review of the discovery of the quark and gluon jets and its impact on QCD. European Physical Journal H 36 (2): 245–326. Bibcode:2011EPJH...36..245A. arXiv:1012.2288. doi:10.1140/epjh/e2011-10047-1.