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胶子

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胶子
电子与正子湮灭费曼图,胶子通常是以螺旋线表示。
组成 基本粒子
玻色
基本相互作用 强相互作用
符号 g
理论 默里·盖尔曼(1962年)[1]
发现 吴秀兰团队(1979年)[2]
类型 8
质量 MeV (理论值)[3]
< 0.0002 eV (实验上限)[4]
电荷e[3]
色荷 8个线性独立种类
自旋 1

粒子物理学中,胶子(gluon)是负责在两个夸克之间传递强作用力基本粒子,类似光子负责在两个带电粒子之间传递电磁力一般。[5]

用科学术语来说明,胶子是量子色动力学用来在两个夸克之间传递强相互作用矢量规范玻色子。胶子本身带有强相互作用的色荷,这与光子不同,光子不带有电荷。因此,胶子不但传递强相互作用,它还参与强相互作用,这使得量子色动力学的分析远比量子电动力学困难。[6]:66-71

性质

胶子是矢量规范玻色子,如同光子,它的自旋为1。自旋为1的带质量粒子可以拥有三种偏振态。在量子场论里,为了满足局域规范不变性,规范玻色子的质量必须为零,因此胶子不带质量(实验上限为0.0002 eV[4]),所以,只有两种偏振态。[6]:239-241, 286

类似光子,胶子是个矢量粒子,所以胶子的内秉宇称是负数-1。[6]:141

胶子的工作机制

在量子色动力学里,依照所带有的色荷与反色荷来区分,一共存在有8种不同的胶子。每个夸克都带有三个不同的色荷:红色、蓝色与绿色。每个反夸克都带有三个不同的反色荷:反红色、反蓝色与反绿色。每个胶子带有一个色荷与一个反色荷。要想正确了解它们怎样组合在一起,就必需更仔细地思考色荷数学。

色荷与量子叠加

在量子力学里,根据态叠加原理,假若粒子处于由几种量子态组合而成的叠加态,则粒子处于其中任意量子态的概率为有限值;假若对于这系统测量某物理量,则可能得到几种不同的数值。[7]:316ff例如,设定胶子的色态为红色-反蓝色加上蓝色-反红色:

其中,分别为红色、蓝色、反红色、反蓝色。

假若测量此胶子的颜色,则它的色荷是红色-反蓝色的机会为50%,是蓝色-反红色的机会为50% 。

色单态

在科普界时常会提到,由几个夸克或反夸克组成的稳定粒子,例如像质子与中子一类的强子,假若能够在大自然被观察得到,则总色荷必须是无色的(或白色的):[6]:42-43

所有自然发生的粒子都是无色的。

更精准地说,所有自然发生的粒子都处于色单态,这是为了遵守夸克禁闭。例如,每一种重子的波函数在颜色部分必须是反对称的色单态:[6]:186

其中,为绿色。

胶子的色单态为[6]:285

由于色单态的胶子不违反夸克禁闭,它应该能够以自由粒子的形式存在于大自然,并且在两个强子之间传递强作用力,例如,在质子与中子之间传递强作用力,因此,强作用力也会变为远距作用力,但是强作用力是一种短距作用力,因此色单态的胶子不存在。

八种胶子

每个胶子带有一个单位色荷的颜色与一个单位色荷的反颜色。颜色可以是红色、蓝色或绿色。反颜色可以是反红色、反蓝色或反绿色。所以,胶子可能处于九种不同的色态,分别为。实际而言,胶子是处于这九种色态的线性独立组合,但是由于先前提到的色单态并不存在,所以只有八种色态,分别为[6]:285

      

这些色态共同组成“八重态”,或“色八重态”。这些色态的色波函数等价于盖尔曼矩阵,分别为:

盖尔曼矩阵里,第一横排第二竖排的元素对应于红色-反蓝色,第二横排第一竖排的元素对应于蓝色-反红色,整个矩阵对应于色态

这八个色态彼此线性独立,并且独立于色单态;几个色态的任何线性组合都无法复制其它色态;它也无法制成,否则,禁戒的色单态也可被制成。[8]

上述八重态并不是唯一选择,也可挑选其它种八重态,但它们都数学等价,会给出同样的物理结果,并且运算过程不会更简易。

群论

群论来表述,色单态不存在这句话只是量子色动力学具有SU(3)对称(八个线性独立态),而不具有U(3)(九个线性独立态)对称的体现。并没有任何先天理由选择这种群而不选择那种群,但是实验结果支持SU(3)对称。[6]:285

禁闭

当通量管被拉到足够长度之时,在能量方面,从真空制成一个夸克-反夸克对会比一味地增加通量管长度更为有利,这时,通量管会断裂,形成一个夸克-反夸克对。
当通量管被拉到足够长度之时,在能量方面,从真空制成一个夸克-反夸克对会比一味地增加通量管长度更为有利,这时,通量管会断裂,形成一个夸克-反夸克对。

由于胶子本身带有色荷,胶子也参与强相互作用。胶子-胶子相互作用使得色场成为像丝弦一般的物体,称为“通量管”(flux tube)。[注 1]当通量管被拉长时,会出现张力,因此将夸克禁闭于强子内部,这机制有效地局限强作用力的范围半径至10−15 m以内,大约为原子核的尺寸。当超过某特定长度后,假若连结两个夸克的通量管的长度越长,则能量越高,呈线性增长;当通量管被拉到足够长之时,在能量方面,从真空制成一个夸克-反夸克对会比一味地增加通量管长度更为有利,这时,继续拉长通量管可能会导致通量管会断裂,形成一个夸克-反夸克对。[9]:2324

虽然在量子色动力学的正常相英语normal phase of QCD,单独胶子无法自由移动,物理学者猜测,可能存在纯粹由胶子形成的强子,称为胶球[10]其它种奇异强子也可能存在,这些奇异强子的重要成分将会是真实胶子,而不是虚胶子。当不处于正常相之时,即在极端高温与极端高压强状况,会形成夸克-胶子等离子体,在这夸克-胶子等离子体里,不会有机会形成强子,因为夸克与胶子都会变成自由粒子。[11]

实验观察

1978年PLUTO 实验团队发现的衰变反应 e+e− → Y(9.46) → 3g。
1978年PLUTO 实验团队发现的衰变反应 e+e → Y(9.46) → 3g。

夸克与胶子借着分裂成更多夸克与胶子来显现自己。这些分裂出的夸克与胶子又会强子化英语hadronization成为无色的正常粒子。1978年夏季,在国际会议、座谈会、专题研讨会等等多个学术场合里,[12]德国电子加速器正负电子对撞机与储存环(DORIS)的PLUTO 实验团队英语PLUTO experiments报告,发现非常狭窄共振Y(9.46)的强子型衰变可以诠释为由三个胶子制成的 三重喷流事件英语three-jet event的证据。同一团队后来发表分析报告确定这诠释正确无误,并且展示出胶子的自旋为1。[13][14][12][15]

1979年夏季,在德国电子加速器的正负电子对撞机PETRA英语PETRATASSO实验团队英语TASSO[16] MARK-J实验团队英语MARK-J[17] PLUTO实验团队英语PLUTO experiments[18](后来,在1980年,JADE粒子探测器英语JADE (particle detector)[19]))又观察到三重喷流事件,这被诠释为qq胶子轫致辐射,现在更为明显可见。 1980年,TASSO实验团队英语TASSO[20]PLUTO实验团队英语PLUTO experiments[21]确定胶子的自旋为1。[2]1991年,在欧洲核子研究组织大型正负电子对撞机储存环完成的一项后续实验确定这结果正确无误[22]

德国电子加速器强子-电子环加速器英语Hadron-Electron Ring Accelerator,胶子的物理性质被特别地研究分析。H1探测器实验英语H1 (particle detector)ZEUS探测器实验英语ZEUS (particle detector),这两项实验对于胶子在质子里的数量分布与动量分布做出仔细测量。[23]从1996年至2007年,HERMES实验英语HERMES experiment研究胶子对于质子自旋的贡献。从H1探测器实验英语H1 (particle detector)搜集的光子制备数据,被用来计算光子内部的胶子密度,当光子呈现强子行为之时。[24]

色禁闭可以用无法找到自由夸克来核对,也就是说无法找到非整数的电荷。通常,为了抵销量子颜色与风味量子数,夸克会成对产生(夸克与反夸克)。可是,在费米实验室CDF实验英语Collider Detector at Fermilab团队与D0实验英语D0 experiment团队于2009年报告,探测到顶夸克单独产生的证据(虽然这仍旧涉及到成对产生,但是夸克与反夸克的风味不同)。[25]至今为止,尚未能找到任何胶球存在的证据。

2000年,欧洲核子研究组织超级质子同步加速器声称,在重离子对撞时观察到退禁闭英语deconfinement[26]这意味着观察到一种新的物质态:夸克-胶子等离子体。2004年至2010年,在布鲁克黑文国家实验室相对论性重离子对撞机英语Relativistic Heavy Ion Collider(RHIC),四个不同实验同时期找到夸克-胶子等离子体。[27]2010年,在欧洲核子研究组织大型强子对撞机,三个实验大型离子对撞机实验超环面仪器紧凑μ子线圈确定探测到夸克-胶子等离子体。[28]

参阅

注释

  1. ^
    三个胶子相互作用
    四个胶子相互作用
    由于胶子带有色荷,几个胶子会相互耦合,如右图所示。光子不带有电荷,所以不会相互耦合。

参考文献

  1. ^ M. Gell-Mann. Symmetries of Baryons and Mesons. Physical Review. 1962, 125 (3): 1067–1084. Bibcode:1962PhRv..125.1067G. doi:10.1103/PhysRev.125.1067. 
  2. ^ 2.0 2.1 P. Söding. On the discovery of the gluon. European Physical Journal H. 2010, 35 (1): 3–28. Bibcode:2010EPJH...35....3S. doi:10.1140/epjh/e2010-00002-5. 
  3. ^ 3.0 3.1 W.-M. Yao; 等. Review of Particle Physics (PDF). Journal of Physics G. 2006, 33: 1. Bibcode:2006JPhG...33....1Y. arXiv:astro-ph/0601168. doi:10.1088/0954-3899/33/1/001. 
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  7. ^ French, Anthony, An Introduction to Quantum Physics, W. W. Norton, Inc., 1978, ISBN 0-393-09106-0 请检查|isbn=值 (帮助) 
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