글루온

Gluon
글루온
Feynmann Diagram Gluon Radiation.svg
그림 1: 파인만 다이어그램에서 방출된 글루온은 나선형으로 표시됩니다.이 그림은 전자와 양전자의 전멸을 묘사하고 있다.
구성.소립자
통계 정보보소닉
가족게이지 보손
상호 작용강력한 상호 작용
기호.g
이론화머레이 겔만(1962년)[1]
발견된ee+− → δ(9.46) → 3g: 1978년 DORIS(DESY)에서 플루토 실험에 의한 (그림 2 및 기억[2] 참조)

그리고.

ee+− → qqg: 1979년 PETRA(DESY)에서 TASSO, MARK-J, JADE 및 PLUTO 실험에 의한 (그림 1 및 검토[3] 참조)
종류들8개[4]
덩어리0(이론적 값)[5]
< 1 . 3 MeV / 2 ( \ c^ {2} (실험 제한) [6][5]
전하0 e[5]
색전하옥텟(8개의 선형 독립형)
스핀1
입자물리학 표준모형
Up quarkCharm quarkTop quarkGluonHiggs bosonDown quarkStrange quarkBottom quarkPhotonElectronMuonTau (particle)Z bosonElectron neutrinoMuon neutrinoTau neutrinoW bosonStandard ModelFermionBosonQuarkLeptonScalar bosonGauge bosonVector bosonStandard Model of Elementary Particles.svg
About this image
표준 모형의 소립자
배경
입자 물리학
표준 모델
양자장론
게이지 이론
자발적 대칭 깨짐
힉스 메커니즘
구성 요소
전약 상호작용
양자 색역학
CKM 매트릭스
표준 모형 수학
제한 사항
강력한 CP 문제
계층 문제
중성미자 진동
표준 모델을 뛰어넘는 물리
과학자
러더퍼드 · 톰슨 · 채드윅 · 보스 · 수다르산 · 데이비스 주니어 · 앤더슨 · 페르미 · 디락 · 파인만 · 루비아 · 겔만 · 켄달 · 테일러 · 프리드먼 · 파월 · P. W. 앤더슨 · 글래쇼 · 일리오풀로스 · 레더맨 · 마이아니 · 미어 · 코완 · 남부 · 체임벌린 · 카비보 · 슈와츠 · 펄 · 마요라나 · 와인버그 · 이씨 · 워드 · 살람 · 고바야시 · 마스카와 · 판 데르 미어 · 밀스 · 양 · 유카와 · '호프트 없음' · 벨트만 · 징그러워 · 페이즈 · 파울리 · 폴리처 · 라인 · 슈윙거 · 빌체크 · 크로닌 · 피치 · 렉 · 힉스 · 영어 · 브루트 · 하겐 · 구랄니크 · 키블 · 산티아고 안투네스 데 마욜로 · 세자르 라테스 · 쯔바이크

글루온(/ɡluːn/GLOO-on)은 쿼크 사이의 강한 힘을 위한 교환 입자(또는 게이지 보손)로 작용하는 소립자입니다.이것은 두 개의 하전 [7]입자 사이의 전자기력에서의 광자 교환과 유사합니다.글루온은 쿼크를 결합하여 양성자와 중성자와 같은 강입자를 형성합니다.

글루온은 양자색역학(QCD)에서 쿼크의 강한 상호작용을 매개하는 벡터 게이지 보손이다. 글루온 자체는 강한 상호작용의 색전하를 띤다.이는 전자기 상호작용을 매개하지만 전하가 부족한 광자와는 다릅니다.따라서 글루온은 이를 매개하는 것 외에도 강력한 상호작용에 참여하기 때문에 QCD는 양자전기역학(QED)보다 분석하기가 훨씬 어렵습니다.

특성.

글루온은 벡터 보손입니다. 즉, 광자와 마찬가지로 1의 스핀을 가집니다.질량이 큰 스핀-1 입자는 3개의 편광 상태를 가지고 있는 반면, 게이지 불변성은 글루온이 이동하는 방향으로 편광해야 하기 때문에 글루온과 같은 질량이 없는 게이지 보손은 2개의 편광 상태를 가지고 있습니다.양자장 이론에서, 깨지지 않은 게이지 불변성은 게이지 보손이 0 질량을 가질 것을 요구한다.실험 결과 글루온의 휴지 질량이 있는 경우 몇 meV/c2 미만으로 제한됩니다.글루온은 음의 고유 패리티를 가집니다.

글루온 카운트

QED의 단일 광자나 약한 상호작용의 3개의 W 및 Z 보손과는 달리, QCD에는 8개의 독립적인 글루온이 있다.

그러나 글루온은 색전하(색상과 반색상의 조합이 있음) 현상이 발생할 수 있습니다.쿼크에는 세 가지 종류의 색전하가 있고, 반색에는 세 가지 종류의 색전하가 있습니다.글루온은 색깔과 반색을 모두 지닌다고 생각될 수 있다.이것은 글루온 색상과 반색상의 9가지 조합을 가능하게 합니다.이러한 조합(및 그 개략도명)의 리스트를 다음에 나타냅니다.

  • red-entired ( r r red - screen （ g ） 、 red - r g 、 - screen （ r g） 、 r b \ {
  • 녹색 점등( r { bar {} ） 、 녹색 ( {\ { { b} ） 、 녹색 점등( b { bar { }）
  • 블루 앤티어( r { display { r ） 、 블루 스크린( \ bsec bar { b } ） 、 블루 스크린( \ bar { }
그림+− 2: ee → Ω(9.46) → 3g

이것들은 관찰된 글루온의 실제 색 상태가 아니라 오히려 효과적인 상태입니다.그것들이 어떻게 결합되는지를 올바르게 이해하기 위해서는 색전하의 수학에 대해 좀 더 자세히 고려할 필요가 있다.

컬러 싱글릿 상태

자연에서 관찰된 안정적이고 강한 상호작용 입자(양성자와 중성자, 하드론 등)는 "무색"이라고 종종 말하지만, 더 정확히는 그것들은 수학적으로 스핀 싱글렛 [8]상태와 유사한 "색 싱글렛" 상태에 있다.이러한 상태는 다른 색상의 단품과의 상호작용을 허용하지만 다른 색상의 단품과의 상호작용은 허용하지 않습니다.원거리 글루온 상호작용이 존재하지 않기 때문에 이는 단품 상태의 글루온도 [8]존재하지 않음을 나타냅니다.

색상의 싱글릿 상태는 다음과 같습니다.[8]

즉, 주의 색을 측정할 수 있다면 붉은색, 푸른색, 녹색 안티스크린 등의 가능성이 동등할 것입니다.

팔색

글루온의 "8가지 유형" 또는 "8가지 색상"에 해당하는 8가지 독립적인 색상 상태가 남아 있습니다.위에서 설명한 바와 같이 상태를 혼재시킬 수 있기 때문에 이러한 상태를 나타내는 방법은 여러 가지가 있습니다.이것을 '컬러 옥텟'이라고 합니다.일반적으로 사용되는 목록은 다음과 같습니다.[8]

이것들은 겔-만 행렬과 같다.이들 8개 상태의 중요한 특징은 선형 독립적이며 싱글렛 상태로부터 독립적이기 때문에2 3 - 1 또는3 2이다.이러한 상태의 조합을 추가하여 다른 상태를 생성할 수 없습니다.또한 rr, gg 또는[9] bb를 forbidden Singlet 스테이트로 하는 것도 불가능합니다.그 밖에도 많은 선택지가 있지만, 모두 수학적으로 동등하고, 적어도 똑같이 복잡하며, 동일한 물리적 결과를 제공합니다.

그룹 이론 상세

기술적으로 QCD는 SU(3) 게이지 대칭을 가진 게이지 이론입니다.쿼크는 N가지 맛의f 스피너로 도입되며, 각각 컬러 게이지 그룹 SU(3)의 기본 표현(트리플렛, 3으로 표시됨)에 포함된다.글루온은 색상 SU(3)의 인접 표현(옥텟, 8로 표시됨)의 벡터입니다.일반 게이지 그룹의 경우 포스 캐리어(광자 또는 글루온 등)의 수는 항상 인접 표현 치수와 동일합니다.단순한 SU(N)의 경우, 이 표현의 치수는 N - 1이다2.

그룹 이론의 관점에서, 색 싱글렛 글루온이 없다는 주장은 단순히 양자 색역학이 U(3) 대칭이 아닌 SU(3)를 가지고 있다는 진술이다.한 그룹이 다른 그룹보다 선호되어야 하는 선험적 이유는 알려져 있지 않지만, 위에서 설명한 바와 같이 실험 증거는 SU(3)[8]를 뒷받침한다.만약 그 그룹이 U(3)라면, 아홉 번째(무색 단품) 글루온은 다른 여덟 [10]개의 글루온과 달리 "두 번째 광자"처럼 행동할 것이다.

감금

주요 기사:색제한

글루온 자체는 색전하를 띠기 때문에 강한 상호작용에 관여합니다.이러한 글루온-글루온 상호작용은 색장을 "플럭스 튜브"라고 불리는 끈과 같은 물체로 제한하며, 늘렸을 때 일정한 힘을 발휘합니다.이 힘 때문에 쿼크는 강입자라고 불리는 복합 입자 안에 갇힙니다.이것은 실질적으로 강한 상호작용의 범위를 대략 원자핵 크기인 1×10m로−15 제한한다.일정 거리를 넘어서면 두 쿼크를 결합하는 플럭스 튜브의 에너지가 선형적으로 증가합니다.충분한 거리에서는 플럭스 튜브의 길이를 늘리는 것보다 진공에서 쿼크-반쿼크 쌍을 끌어내는 것이 에너지적으로 유리해진다.

글루온은 또한 강입자 안에 갇힌다는 특성을 공유한다.한 가지 결과는 글루온이 하드론 사이의 핵력에 직접적으로 관여하지 않는다는 것이다.이 힘의 매개체는 중간자라고 불리는 다른 강입자입니다.

QCD의 정상 단계에서는 단일 글루온이 자유롭게 이동하지 못할 수 있지만, 글루볼이라고 불리는 글루온으로 완전히 형성된 하드론이 존재할 것으로 예측됩니다.일반 하드론에서 발견되는 가상 글루온과 달리 실제 글루온이 주요 구성 요소가 될 다른 이국적인 하드론에 대한 추측도 있다.(극도의 온도와 압력에서) QCD의 정상 단계를 넘어서 쿼크-글루온 플라스마가 형성된다.이런 플라즈마에는 강입자가 없고 쿼크와 글루온은 자유입자가 된다.

실험 관측치

쿼크와 글루온(색깔)은 더 많은 쿼크와 글루온으로 분할되어 제트기와 상관된 정상적인 (색깔이 없는) 입자로 하드론화됨으로써 그들 자신을 드러냅니다.1978년 여름 [2]회의에서 밝혀진 바와 같이, 전자-양전자 충돌기 DORIS(DESY)의 PLUTO 검출기는 매우 좁은 공명 δ(9.46)의 하드론 붕괴가 3개의 글루온에 의해 생성된 3개의 제트 이벤트 토폴로지로 해석될 수 있다는 최초의 증거를 도출했다.나중에 같은 실험에 의해 발표된 분석을 통해 이러한 해석과 글루온의[11][12] 스핀 = 1 특성이 확인되었다(회수와[2] PLUTO 실험 참조).

1979년 여름, 전자-양전자 충돌기 PETRA(DESY)의 높은 에너지에서 다시 3개의 제트 위상이 관측되었고, 지금은 TASSO,[13] MARK-J[14] 및 PLUTO 실험에[15] 의해 명확하게 볼 수 있다(나중에 1980년 JADE에 의해서도[16]).글루온의 스핀 = 1 특성은 1980년 TASSO 및 PLUTO 실험을[18] 통해[17] 확인되었다(검토[3] 참조).1991년 CERN의 LEP 스토리지 링에서 후속 실험을 통해 이 [19]결과가 다시 확인되었습니다.

글루온은 쿼크와 글루온 사이의 기본적인 강한 상호작용에 중요한 역할을 하며, QCD에 의해 설명되고 특히 DESY의 전자-프로톤 충돌기 HERA에서 연구되었다.양성자의 글루온 수와 운동량 분포(글루온 밀도)는 1996-2007년에 H1과 [20]제우스라는 두 가지 실험을 통해 측정되었다.양성자 스핀에 대한 글루온의 기여는 HERA의 [21]HERMES 실험에 의해 연구되었다.양성자의 글루온 밀도(강체적으로 동작할 때)[22]도 측정되었다.

색상 제한은 자유 쿼크 검색(소수 전하의 검색) 실패에 의해 검증됩니다.쿼크는 일반적으로 양자 색상과 맛 수를 보상하기 위해 쌍(쿼크 + 반쿼크)으로 생성되지만, 페르미랍에서는 꼭대기 쿼크의 단일 생성으로 나타났다.[a][23]글루볼이 시연되지 않았습니다.

2000년 CERN SPS에서[24] 중이온 충돌로 인한 결별이 주장되었으며, 이는 물질의 새로운 상태를 암시합니다. 쿼크-글루온 플라즈마, 핵에서보다 상호작용이 덜하고 거의 액체에서와 거의 유사합니다.2004-2010년 브룩헤이븐의 상대론적 중이온 충돌기(RHIC)에서 네 번의 동시 [25]실험을 통해 발견되었다.2010년 [26]CERN 대형 강입자 충돌기(LHC)에서 세 가지 실험 ALICE, ATLAS 및 CMS에 의해 쿼크-글루온 플라스마 상태가 확인되었습니다.

버지니아 [b]주 뉴포트 뉴스에 있는 제퍼슨 랩의 연속 전자선 가속기 시설은 글루온 연구를 하는 에너지부 10개 시설 중 하나입니다.버지니아 연구소는 또 다른 시설인 뉴욕 롱아일랜드에 있는 브룩헤븐 국립 연구소와 새로운 전자 이온 [27]충돌기 제조 자금을 놓고 경쟁을 벌이고 있었다.2019년 12월 미국 에너지부는 브룩헤이븐 국립연구소를 전자-이온 충돌기 [28]개최지로 선정하였다.

「 」를 참조해 주세요.

각주

  1. ^ 엄밀히 말하면 페르미랍의 단일 꼭대기 쿼크 생산은 여전히 쌍생산을 수반하지만 쿼크와 반쿼크의 맛은 다르다.
  2. ^ 제퍼슨 랩은 버지니아 뉴포트 뉴스에 있는 토마스 제퍼슨 국립 가속기 시설의 별칭입니다.

레퍼런스

  1. ^ 그러나 이는 색상과 무관합니다M. Gell-Mann (1962). "Symmetries of Baryons and Mesons" (PDF). Physical Review. 125 (3): 1067–1084. Bibcode:1962PhRv..125.1067G. doi:10.1103/PhysRev.125.1067..최신 사용법에 대해서는, 을 참조해 주세요.
  2. ^ a b c B.R. Stella and H.-J. Meyer (2011). "Υ(9.46 GeV) and the gluon discovery (a critical recollection of PLUTO results)". European Physical Journal H. 36 (2): 203–243. arXiv:1008.1869v3. Bibcode:2011EPJH...36..203S. doi:10.1140/epjh/e2011-10029-3. S2CID 119246507.
  3. ^ a b P. Söding (2010). "On the discovery of the gluon". European Physical Journal H. 35 (1): 3–28. Bibcode:2010EPJH...35....3S. doi:10.1140/epjh/e2010-00002-5. S2CID 8289475.
  4. ^ "Why are there eight gluons?".
  5. ^ a b c W.-M. Yao; et al. (Particle Data Group) (2006). "Review of Particle Physics". Journal of Physics G. 33 (1): 1. Bibcode:2006JPhG...33....1Y. doi:10.1088/0954-3899/33/1/001.
  6. ^ F. Yndurain (1995). "Limits on the mass of the gluon". Physics Letters B. 345 (4): 524. Bibcode:1995PhLB..345..524Y. doi:10.1016/0370-2693(94)01677-5.
  7. ^ C.R. Nave. "The Color Force". HyperPhysics. Georgia State University, Department of Physics. Retrieved 2012-04-02.
  8. ^ a b c d e David Griffiths (1987). Introduction to Elementary Particles. John Wiley & Sons. pp. 280–281. ISBN 978-0-471-60386-3.
  9. ^ J. Baez. "Why are there eight gluons and not nine?". Retrieved 2009-09-13. {{cite journal}}:Cite 저널 요구 사항 journal=(도움말)
  10. ^ "Why Are There Only 8 Gluons?". Forbes.
  11. ^ Berger, Ch.; et al. (PLUTO collaboration) (1979). "Jet analysis of the Υ(9.46) decay into charged hadrons". Physics Letters B. 82 (3–4): 449. Bibcode:1979PhLB...82..449B. doi:10.1016/0370-2693(79)90265-X.
  12. ^ Berger, Ch.; et al. (PLUTO collaboration) (1981). "Topology of the Υ decay". Zeitschrift für Physik C. 8 (2): 101. Bibcode:1981ZPhyC...8..101B. doi:10.1007/BF01547873. S2CID 124931350.
  13. ^ Brandelik, R.; et al. (TASSO collaboration) (1979). "Evidence for Planar Events in e+e− annihilation at High Energies". Physics Letters B. 86 (2): 243–249. Bibcode:1979PhLB...86..243B. doi:10.1016/0370-2693(79)90830-X.
  14. ^ Barber, D.P.; et al. (MARK-J collaboration) (1979). "Discovery of Three-Jet Events and a Test of Quantum Chromodynamics at PETRA". Physical Review Letters. 43 (12): 830. Bibcode:1979PhRvL..43..830B. doi:10.1103/PhysRevLett.43.830. S2CID 13903005.
  15. ^ Berger, Ch.; et al. (PLUTO collaboration) (1979). "Evidence for Gluon Bremsstrahlung in e+e− Annihilations at High Energies". Physics Letters B. 86 (3–4): 418. Bibcode:1979PhLB...86..418B. doi:10.1016/0370-2693(79)90869-4.
  16. ^ Bartel, W.; et al. (JADE collaboration) (1980). "Observation of planar three-jet events in e+ e− annihilation and evidence for gluon bremsstrahlung". Physics Letters B. 91 (1): 142. Bibcode:1980PhLB...91..142B. doi:10.1016/0370-2693(80)90680-2.
  17. ^ Brandelik, R.; et al. (TASSO collaboration) (1980). "Evidence for a spin-1 gluon in three-jet events". Physics Letters B. 97 (3–4): 453. Bibcode:1980PhLB...97..453B. doi:10.1016/0370-2693(80)90639-5.
  18. ^ Berger, Ch.; et al. (PLUTO collaboration) (1980). "A study of multi-jet events in e+ e− annihilation". Physics Letters B. 97 (3–4): 459. Bibcode:1980PhLB...97..459B. doi:10.1016/0370-2693(80)90640-1.
  19. ^ Alexander, G.; et al. (OPAL collaboration) (1991). "Measurement of three-jet distributions sensitive to the gluon spin in e+ e− Annihilations at √s = 91 GeV". Zeitschrift für Physik C. 52 (4): 543. Bibcode:1991ZPhyC..52..543A. doi:10.1007/BF01562326. S2CID 51746005.
  20. ^ Lindeman, L.; et al. (H1 and ZEUS collaborations) (1997). "Proton structure functions and gluon density at HERA". Nuclear Physics B: Proceedings Supplements. 64 (1): 179–183. Bibcode:1998NuPhS..64..179L. doi:10.1016/S0920-5632(97)01057-8.
  21. ^ "The spinning world at DESY". www-hermes.desy.de. Archived from the original on 25 May 2021. Retrieved 26 March 2018.
  22. ^ Adloff, C.; et al. (H1 collaboration) (1999). "Charged particle cross sections in the photoproduction and extraction of the gluon density in the photon". European Physical Journal C. 10 (3): 363–372. arXiv:hep-ex/9810020. Bibcode:1999EPJC...10..363H. doi:10.1007/s100520050761. S2CID 17420774.
  23. ^ Chalmers, M. (6 March 2009). "Top result for Tevatron". Physics World. Retrieved 2 April 2012.
  24. ^ Abreu, M.C.; et al. (NA50 collaboration) (2000). "Evidence for deconfinement of quark and antiquark from the J/Ψ suppression pattern measured in Pb-Pb collisions at the CERN SpS". Physics Letters B. 477 (1–3): 28–36. Bibcode:2000PhLB..477...28A. doi:10.1016/S0370-2693(00)00237-9.
  25. ^ Overbye, D. (15 February 2010). "In Brookhaven collider, scientists briefly break a law of nature". The New York Times. Archived from the original on 2 January 2022. Retrieved 2 April 2012.
  26. ^ "LHC experiments bring new insight into primordial universe" (Press release). CERN. 26 November 2010. Retrieved 20 November 2016.
  27. ^ Nolan, Jim (19 October 2015). "State hopes for big economic bang as Jeff Lab bids for ion collider". Richmond Times-Dispatch. pp. A1, A7. Retrieved 19 October 2015. Those clues can give scientists a better understanding of what holds the universe together.
  28. ^ "U.S. Department of Energy selects Brookhaven National Laboratory to host major new nuclear physics facility" (Press release). DOE. 9 January 2020. Retrieved 1 June 2020.

추가 정보

Wikimedia Commons에는 글루온과 관련된 미디어가 있습니다.

외부 자원