Глюоны и их экспериментальное подтверждение

Глюон- квант векторного поля сильного взаимодействия. Глюон является электрически нейтральной частицей со спином единица и нулевой массой. Двухцветные глюоны являются переносчиками сильного взаимодействия между кварками, и склеивают их в адроны. В квантовой хромодинамике установлено существование восьми глюонных полей, отличающихся цветовыми индексами. Глюоны характеризуются спином и цветом, и не имеют других квантовых чисел. Глюоны являются бозонами.

При поглощении и испускании глюона у кварка меняется только его цвет, но сохраняет другие квантовые числа, тип кварка не меняется. Наличие у глюона цветового заряда приводит к самодействию глюонов: т.е. глюоны могут поглощать или излучать другие глюоны. Это свойство обеспечивает убывание цветового эффективного заряда с уменьшением расстояния. Асимптотическая свобода - ослабление эффективной константы взаимодействия кварков с уменьшением расстояния порядка 0,1 радиуса адрона. Возрастание константы взаимодействия кварков с расстоянием порядка радиуса адрона (~10^{-13 см}) связано с невылетанием кварков, что проявляется в отсутствии свободных кварков.

Экспериментально глюоны наблюдаются косвенно по образованной глюонами адронной струе в трехструйном распаде тяжелой ипсилон-частицы . Процесс идет через аанигиляцию пары красивых кварк-антикварка в три глюона, которые прекращаются в три адронные струи см. рис.2.7.

ипсилон частица ( ) 3 струи.

Такие адронные струи с предсказанным угловым распределением дейтвительно наблюдались экспериментально. Это расматривается как экспериментальное подтверждение существования векторных глюонов.

Векторный характер глюона отчетливо проявляется в угловом распределении адронных струй в процессе аннигиляции электрона и позитрона в три струи. При энергиях Гэв помимо кварк-антикварковой пары происходит рождение глюона:

.

Вероятность рождения глюона глюоном в 2 раз выше вероятности рождения глюоном кварка. Поэтому адронная струя вызванная глюоном быстрее распухает с ростом энергии. см рис.2.6.

Основные качественные особенности КХД- векторный характер глюонов, глюон-глюонное взаимодействие и асимптотическая свобода подтверждаются экспериментами.

Проблема удержания цвета, связанная с экспериментально наблюдаемым отсутствием свободных кварков и глюонов, и бесцветностью адронных состояний еще не имеет однозначного решения в КХД.

Подведем итог. Динамической теорией описывающей адронную физику является квантовая хромодинамика. КХД удается описать асимптотическую свободу –невзаимодействие кварков при малых расстояниях. Это обусловлено убыванием эффективной хромодинамической константы с ростом энергии. Вопрос о существовании кварков в свободном состоянии в рамках КХД остается нерешенным. Чтобы проводит расчеты в КХД используется гипотеза о невылетании кварков (конфаймент), тем самым снимается вопрос, почему сильные взаимодействия, переносчиком которых являются глюоны, имеют конечный радиус взаимодействия. Использование асимптотической свободы и гипотезы о невылетании кварков позволяет описывать в КХД процессы с большими поперечными импульсами, рождение лептонных пар, струйные процессы в электрон-позитронной аннигиляции, т.е. такие реакции, в которых детали образования конечных состояний из кварков и глюонов не существенны. Описание спектра масс адронов, эксклюзивных процессов оказывается за пределами возможностей современного аппарата КХД. см. также табл.2.4 и табл.2.7.

Если «выключить» сильное взаимодействие, то распались бы ядра атомов, распались протоны и другие адроны. Ядерных реакций с участием сильного взаимодействия не стало. Кварки существовали бы в свободном состоянии. Мир состоял бы из кварков, лептонов и гамма квантов.

Феймановские диаграммы в КХД

В квантовой хромодинамике в феймановских диаграммах, в отличие от квантовой электродинамики, появляется четыре типа вершин (см. рис. 2.13)

а) б) в) г)

Рис.2.13 Вершины феймановских диаграмм в КХД: а) кварк-глюонная вершина. б) трехглюонная вершина. в)четырехглюонная вершина. г)дух-глюонная вершина; q- кварк, -антикварк, g-глюон, sp – духи Фадеева-Попова.

и следующие типы линий (см. рис.2.14 )

а) - линия кварка

б) -линия антикварка (стрелка навстречу времени).

в) -линия глюона

г) Две кварковые линии –линия мезона.

д) Три кварковые линии –линия бариона.

Рис.2.14. Линии в феймановских диаграммах вКХД. а)кварковая линия , б)линия антикварка (стрелка навстречу времени). в)глюонная линия. г) линия мезона. д)линия бариона.

Рис. 2.15. Взаимодействие кварка с атикварком через глюон.