Gliuonai yra tinkamai pavadinti, nes jie yra „klijai“, sujungiantys kvarkus, kad susidarytų protonai ir neutronai.
Jie yra stiprios jėgos nešėjai, vieni iš keturių pagrindinės stiprybės. Jėgą nešančios dalelės, tokios kaip gliuonas, taip pat elektromagnetinės jėgos fotonas ir W ir Z bozonai Silpnosios jėgos atveju visos yra bemasės dalelės, kurių kvantinis sukinys yra 1 ir bendrai vadinamos „matometriniais bozonais“.
f du ar trys kvarkai. Pavyzdžiui, protonų ir neutronų, kurie sudaro atomų branduolius, yra hadronai, todėl egzistuoja dėl kvarkų ir gliuonų. Nors ir susiję su gliuonais, kvarkai skiriasi tuo, kad jų kvantinis sukinys yra 1/2 ir jie turi masę, nors mažas (pavyzdžiui, „aukštyn“ kvarko masė yra 2,01 MeV, o „žemyn“ kvarkas yra šiek tiek sunkesnis, jo masė yra 4,79 MeV, atitinkamai penktadalis ir pusė masės. Ką turi kvarkai ir gliuonai bendra yra tai, kad nei viena negali egzistuoti kaip laisvos dalelės, nei egzistuoti be kitos.
Susijęs: 10 neįtikėtinų dalykų, kuriuos turėtumėte žinoti apie kvantinę fiziką
Gluono įrodymas
Nors fizikai negali matyti atskirų gliuonų, mes žinome, kad jie egzistuoja iš netiesioginių įrodymų, kuriuos galima paaiškinti tik gliuonų buvimu.
Gliuonai pirmą kartą buvo aptikti 1979 m., atliekant eksperimentą Elektronų-pozitronų tandeminis žiedinis greitintuvas (PETRA) (atsidaro naujame skirtuke) į Vokietijos elektroninis sinchrotronas (DESY) Laboratorija Vokietijoje. PETRA yra 2,3 km ilgio žiedas, šiek tiek panašus į miniatiūrinę jo versiją Didysis hadronų greitintuvas išskyrus tai, kad PETRA ypač pagreitina leptonus elektronų ir jų antimedžiagos atitikmenys pozitronai, o ne protonai ir atomų branduoliai.
(atsidaro naujame skirtuke)
Kai materija ir antimedžiaga susitinka, jos sunaikinamos. Elektronų susmulkinimo į pozitronus atveju pora sunaikina ir išskiria kvarką ir antikvarką. Abu kvarkai negali pabėgti – kuo toliau jie bando atitolti, tuo stipresnė tarp jų atsiranda stipri jėga (bent iki taško, maždaug 10^–15 m arba femtometro), sukauptos energijos perteklius leidžia kvarkas ir antikvarkas susiporuoja, kad suirtų arba „hadronizuotų“ į hadronines daleles, kurios susidaro kūginėje srityje pradinio kvarko ir antikvarko judėjimo kryptimis. Ši kūginė hadroninių dalelių sritis vadinama reaktyviniso paprastas elektronų-pozitronų anihiliavimas sukurtų du priešingus srautus, atitinkančius kvarką ir antikvarką.
Tačiau, jei gliuonai yra tikri, elektronų ir pozitronų anihiliacija taip pat turėtų sukurti gliuoną šalia kvarko ir antikvarko poros, o šis gliuonas taip pat turėtų virsti trečiuoju srautu. Kad būtų išsaugotas impulsas, gliuonas nuneštų dalį impulso iš vieno iš kvarkų, pakeisdamas savo srauto kryptį taip, kad hadronizuoti kvarkų srautai nebebūtų tiesiogiai priešingi, o iš gliuono gauta srovė būtų ant viena ranka. Tai buvo pastebėta PETRA eksperimente ir vėlesniuose eksperimentuose, patvirtinant gliuono egzistavimą.
Gluon DUK atsakė ekspertas
Mes klausėme Markas Diehlas, DESY teorijos grupės kvantinės chromodinamikos ekspertas keletą dažniausiai užduodamų klausimų apie gliuonus.
Markas Diehlas
Markusas Diehlas yra kvantinės chromodinamikos (QCD), teorijos, apimančios kvarkų ir gliuonų (stiprios jėgos) sąveiką, ekspertas.
Kaip mes žinome, kad gliuonai egzistuoja?
Mūsų kvarkų ir gliuonų teorija teisingai paaiškina daugybę labai tikslių matavimų. Gana tiesioginis ir istoriškai pirmasis gliuonų pasireiškimas yra trijų skirtingų dalelių purslų susidarymas elektronų ir pozitronų susidūrimų metu. Šie įvykiai su trimis hadroniniais purkštukais, kaip mes juos vadiname, pirmą kartą buvo pastebėti DESY PETRA susidūrime 1979 m.
Kodėl gliuonai yra svarbūs?
Gliuonai yra atsakingi už kvarkų sujungimą, taigi ir už protonų ir neutronų, atomų branduolių statybinių blokų, susidarymą ir daugelį savybių.
Ar kada nors galima atskirti gliuonus ir kvarkus?
Kiek žinome, kvarkai ir gliuonai negali būti stebimi kaip laisvos dalelės, tačiau jie sukelia hadroninius srautus. Atidžiai pažvelgus į dalelių pasiskirstymą srovėje, iš tikrųjų galima nustatyti, ar jis greičiausiai kilęs iš gliuono ar kvarko.
Spalvinis krūvis ir kvantinė chromodinamika
Kvantinė teorija, valdanti stiprios jėgos, kurią gluonai neša kvarkams surišti, fiziką, vadinama kvantinė chromodinamika (atsidaro naujame skirtuke), arba QCD. Pavadintas garsaus Nobelio premijos laureato dalelių fiziko Murray Gell Mann (atsidaro naujame skirtuke)QCD sukasi aplink kvarkų ir gliuonų savybę, vadinamą “spalvos krūviu”, kaip aprašė fizikai Džordžijos valstijos universitetas (atsidaro naujame skirtuke). Tai nėra nei tikroji spalva, nei tikras elektros krūvis (gliuonai yra elektriškai neutralūs) – jis taip pavadintas dėl to, kad yra analogiškas elektros krūviui, nes yra stiprios jėgos sąveikos tarp kvarkų ir gliuonų šaltinis, kaip ir krūvis yra elektromagnetinės jėgos sąveikos šaltinis, o spalvos yra tik savavališkas, nors ir neįprastas būdas atskirti skirtingus kvarkus ir jų sąveiką su stipria jėga per gliuonus.
Kvarkai gali turėti spalvinį krūvį, vadinamą raudona, žalia arba mėlyna, ir kiekvieno iš jų yra teigiamos ir neigiamos (anti) versijos. Kvarkai sąveikaudami gali pakeisti spalvą, o gliuonai išlaiko spalvos krūvį. Pavyzdžiui, jei žalias kvarkas virsta mėlynu kvarku, gliuonas turi turėti žalios-mėlynos spalvos krūvį. Atsižvelgiant į visus skirtingus spalvų ir anti-spalvų derinius, iš viso turi būti 8 skirtingi gliuonai, kaip aprašė Johnas Baezas (atsidaro naujame skirtuke). Palyginkite tai su elektromagnetine jėga, kuri veikia pagal kvantinės elektrodinamikos (QED) teoriją, kurioje yra tik du galimi krūviai – teigiami arba neigiami. QCD yra daug sudėtingesnis nei QED!
Kvarko-gliuono plazma
Netiesa, kad gliuonų ir kvarkų negalima atskirti, tačiau tam reikalingos labai ekstremalios sąlygos, kurių gamtoje nebuvo nuo pirmųjų mažų sekundės dalių po Didysis sprogimas.
Praėjus kelioms trilijoninėms sekundės dalims po Didžiojo sprogimo, mažytės visatos temperatūra vis dar buvo didžiulė – tūkstantis trilijonų laipsnių. Per šį laikasdar prieš susiformuojant hadronams, besiformuojanti visata buvo užpildyta laisvųjų kvarkų ir gliuonų sriuba, vadinama kvarko-gliuono plazma (taip pat leptonais, pvz. neutrinų ir elektronai). Nes visata buvo taip karšta, kad kvarkai ir gluonai sukasi nesurišti šviesos greičiu, atsimušdami vienas į kitą su per daug energijos, net kad galinga jėga juos sujungtų.
Visata plėtimosi metu labai greitai atvėso ir iki pirmos milijoninės sekundės dalies temperatūra nukrito pakankamai 2 trilijonai laipsnių (atsidaro naujame skirtuke)kad stipri jėga galėtų sujungti kvarkus ir gliuonus, kad susidarytų pirmieji hadronai.
Galima atkartoti pirmykštę kvarko-gliuono plazmą atliekant eksperimentus su dalelių greitintuvais, tokiais kaip CERN arba Reliatyvistinis sunkiųjų jonų greitintuvas Brookhaven nacionalinėje laboratorijoje (atsidaro naujame skirtuke).
(atsidaro naujame skirtuke)
Sunkiųjų elementų, tokių kaip auksas ar švinas, atominiai branduoliai susiduria beveik ties šviesos greitissusidaro miniatiūrinis ugnies kamuolys, kuris trumpam įkaista, kad ištirptų hadronus į kvarko gliuono plazmą.
Beveik akimirksniu ugnies kamuolys atšąla, o kvarkai ir gliuonai rekombinuojasi ir sudaro hadronų čiurkšles, įskaitant dviejų kvarkų mezonus ir trijų kvarkų barionus. Kvarko-gliuono plazma yra labai tanki, todėl hadronų srovės dažnai sunkiai praeina ir praranda energiją. Fizikai tai vadina „gesinimu“, kaip apibūdino CERN fizikai (atsidaro naujame skirtuke), o išnykimo kiekis, taip pat bendras srovės pasiskirstymas ir energija gali suteikti puikios informacijos apie kvarko-gliuono plazmos savybes. Pavyzdžiui, fizikai sužinojo, kad jis veikia labiau kaip tobulas skystis, tekantis nulinio klampumo, o ne kaip dujos. Sužinojus apie tokias savybes, dalelių greitintuvuose atkuriant kvarko-gliuono plazmą, mokslininkai gali atverti langą laiku į patį Visatos gimimą ir iš karto po Didžiojo sprogimo, kai pirmą kartą pasirodė materija.
Papildomi resursai
Perskaitykite 1979 m. gliuonų atradimo istoriją, kurią papasakojo DESY fizikai Ilka Flegel ir Paul Söding. CERN paštas (atsidaro naujame skirtuke). Atraskite tai QCD istorija (atsidaro naujame skirtuke), kaip pasakojo vienas iš jos pradininkų Haraldas Fritzschas. Išsamiau tyrinėkite kvarkus ir gliuonus naudodami šiuos išteklius Energetikos ministerija (atsidaro naujame skirtuke). Atraskite gliuoną ir su juo keliaukite atgal į 70-uosius DESY straipsnis (atsidaro naujame skirtuke).
Stebėkite Keithą Cooperį „Twitter“ @21stCenturySETI. Sekite mus „Twitter“ tinkle @Spacedotcom (atsidaro naujame skirtuke) ir toliau Facebook (atsidaro naujame skirtuke).
Bibliografija
Dalelių fizika, Brianas R. Martinas (2011 m., vieno pasaulio leidiniai)
Visatos kilmė: kosminis mikrobangų fonas ir kvantinės gravitacijos paieška, Keithas Cooperis (2020, Icon Books)
#Kas #yra #gliuonai