Глюон: как носи силната ядрена сила и свързва кварките

Открий тайната на глюоните — бозони, които пренасят силната ядрена сила и свързват кварките. Научни пробиви от ЦЕРН и Големия адронен колайдер.

Глюоните са частиците, които държат кварките заедно, за да образуват по-големи частици като протони и неутрони. Те пренасят силната сила между кварките и затова се считат за частици, пренасящи сила (носители на взаимодействието). Подобно на фотоните, глюоните имат спин 1, което ги класифицира като бозони, но съществена разлика е, че глюоните носят т.нар. "цветен" заряд и могат да си взаимодействат помежду си — фотоните не носят електричен заряд и не се самовзаимодействат.

Как работи силната сила и защо глюоните са специални

В рамките на теорията на квантовата хромодинамика (QCD) глюоните са калибровъчни бозони на симетрията SU(3). Има осем независими вида глюони (понякога казвани просто "осем глюона"), всеки от които пренася комбинация от цветови и антицветови квантови числа. Поради това, че глюоните носят цветен заряд, те могат да се свързват и помежду си — това води до две ключови явления:

• Асимптотична свобода: при много кратки разстояния (или на много високи енергии) взаимодействието между кварките отслабва — кварките се държат почти като свободни частици.
• Конфайнмънт (заплитане): при по-големи разстояния силата не намалява, а по-скоро "връзката" между кварките се затяга, така че индивидуален кварк или глюон не може да бъде изолиран в нормални условия.

Разделяне на кварките и кварко-глуонна плазма

За да се отдели кварк от друг кварк, са необходими огромни количества енергия — температури и енергии от порядъка на трилиони градуси по Келвин. При такива условия материята преминава в състояние, наричано кварко-глуонна плазма (QGP), в което кварките и глюоните не са свързани в богати по-големи адрони, а се движат сравнително свободно. Именно такива екстремни състояния се възпроизвеждат експериментално в тежки йонни сблъсъци в колайдери като Големия адронен колайдер в ЦЕРН.

Как ги изучаваме

Глюоните са трудни за директно наблюдение: въпреки че са винаги присъстващи във вътрешността на адроните, те не могат да бъдат изолирани поради конфайнмънта. Затова учените изучават последиците от тяхното съществуване — например струйки частици ("джетове") в сблъсъци на висока енергия, разпадането на адрони и свойствата на кварко-глуонната плазма. Много от знанията ни за глюоните идват от ускорителни експерименти и детайлни теоретични изчисления в QCD.

Други интересни факти

• Глюоните са в общоприетия модел считани за безмасови (вакуумна маса нула), но в среда или в свързани състояния могат да проявяват ефективни масови ефекти.
• Поради самовзаимодействието на глюоните се предсказват и търсят в експериментите т.нар. глюболове — хипотетични частици, съставени само от глюони.
• Силната сила, медиирана от глюоните между кварките в нуклоните, дава началото и на дълго обхватовото, остатъчно ядрено взаимодействие между протони и неутрони в атомните ядра — но това "остатъчно" взаимодействие е вече ефект, опосредстван от обмен на мезони (например пиони).

В обобщение: глюоните са ключов елемент от микросвета, отговорни за това кварките да се събират в стабилни частици и за много от свойствата на ядрата и материята при екстремни условия. Поради своята природа — спин 1, носене на цветен заряд и самовзаимодействие — те правят силното взаимодействие уникално и много богато на явления, които учените продължават да изследват чрез експерименти и теория.

Въпроси и отговори

В: Какво представляват глюоните?

В: Каква сила пренасят глуоните между кварките?

В: Какъв вид частица е глуонът?

В: Как се различават по своята функция фотоните и глуоните?

В: Защо е трудно да се изследват глюоните?

Въпрос: Къде учените са успели да изследват глуоните и други субатомни частици?

В: Какво е значението на това, че една частица е бозон?

Търсене по буква