PROFILPELAJAR.COM

Gluoni
Symboli	g
Rakenne	Alkeishiukkanen
Perhe	Bosoni
Ryhmä	Mittabosoni
Vuorovaikutus	Vahva vuorovaikutus
Löydetty teoreettisesti	1962
Löydetty	DESY 1979
Massa	0 MeV/c2
Sähkövaraus	0 e
Värivaraus	Oktetti, 8 eri väriä
Spin	1
	Infobox OK

Gluoni on mittabosoneihin kuuluva alkeishiukkanen, joka välittää vahvaa voimaa eli värivoimaa. Se pitää kvarkit kiinni toisissaan, jolloin näistä voi muodostua protoneita, neutroneita ja muita hadroneita. Atomiytimet pysyvät koossa nimenomaan gluonien ansiosta. Nimitys gluoni tulee englanninkielisestä sanasta glue, eli liima. Gluonien olemassaolo todistettiin kokeellisesti vuonna 1979 DESY:n Petra-ilmaisimella.^[1]

Ominaisuudet

Gluoneja on kahdeksaa eri tyyppiä ja niillä on myös itsellään värivaraus eli ne tuntevat vahvan vuorovaikutuksen.^[2] Tämän takia vahva vuorovaikutus on voimakkaampi suuremmalla etäisyydellä.

Gluonien kvarkkeja sitova vaikutus lakkaa, jos hadronit saatetaan tarpeeksi kuumaan ja suuripaineisiin olosuhteisiin törmäyttämällä niitä suurilla energioilla. Tällöin hadronit ikään kuin sulavat vapaiksi kvarkeiksi ja gluoneiksi, kvarkki-gluoniplasmaksi.

Gluonien värivaraukset

Toisin kuin fotoneja, joita on vain yhtä lajia, on kvanttikromodynamiikan mukaan olemassa kahdeksaa tyyppiä gluoneja, joilla on erilainen värivaraus.

Asia ei ole aivan helppo käsittää. Kvarkeilla on kolme erilaista värivarausta ja antikvarkeilla näiden antivärit. Gluoneilla voidaan ajatella olevan sekä väri että antiväri, mutta tämän selventämiseksi on tarkasteltava värivarausten matematiikkaa yksityiskohtaisemmin.

Värivaraus ja superpositio

Kvanttimekaniikassa hiukkasten tiloja voidaan laskea yhteen superpositioperiaatteen avulla. Toisin sanoen hiukkasen tila voi olla perustilojen yhdistelmä, jossa kuhunkin perustilaan liittyy tietty todennäköisyys, jolla tämä tila havaitaan mitattaessa. Gluonien värivarauksen tapauksessa eräs sellainen tila voidaan ilmaista lausekkeella:

(r{\bar {b}}+b{\bar {r}})/{\sqrt {2}}

Tämä luetaan "punainen-antisininen plus sininen-antipunainen". Tässä r merkitsee "punaista" (engl. red) ja b "sinistä" (engl. blue) värivarausta; kvarkkien kolmas värivaraus on "vihreä", g (engl. green). Tekijä ${\sqrt {2}}$ on mukana aaltofunktion normalisoimiseksi ja on asian ymmärtämiseksi epäoleellinen. Jos tässä tilassa olevan gluonin värivaraus voitaisiin tavalla tai toisella suoraan mitata, tulokseksi saataisiin 50 %:n todennäköisyydellä punainen-antisininen ja 50 %:n todennäköisyydellä sininen-antipunainen.

Värisinglettitila

Kvarkeista muodostuneiden hadronien kuten protonien ja neutronien sanotaan usein olevan "värittömiä", mutta täsmällisemmin sanottuna ne ovat "värisinglettitilassa", joka on matemaattisesti analoginen spinin singlettitilalle.^[3] Tällainen tila sallii niiden vuorovaikuttaa toisten värisinglettien, mutta ei muiden väritilojen kautta: koska gluonien välittämiä pitkän kantaman vuorovaikutuksia ei ole, tämä osoittaa, ettei ole myöskään singlettitilassa olevia gluoneja.^[4]

Tämä singlettitila voidaan esittää muodossa:^[5]

(r{\bar {r}}+b{\bar {b}}+g{\bar {g}})/{\sqrt {3}}

Toisin sanoen, jos tilan värivaraus voitaisiin mitata, tulokseksi saataisiin yhtä suurella todennäköisyydellä punainen-antipunainen, sininen-antisininen tai vihreä-antivihreä.

Gluonien kahdeksan väriä

Näiden lisäksi on kahdeksan toisistaan riippumatonta väritilaa, jotka vastaavat gluonien kahdeksaa tyyppiä tai värivarausta. Koska tiloja voidaan yhdistää toisiinsa edellä kerrotulla tavalla, on olemassa useita tapoja kuvata näitä tiloja, jotka yhdessä muodostavat "värioktetin". Eräs yleisesti käytetty luettelo on:^[5]

$(r{\bar {b}}+b{\bar {r}})/{\sqrt {2}}$		$-i(r{\bar {b}}-b{\bar {r}})/{\sqrt {2}}$
$(r{\bar {g}}+g{\bar {r}})/{\sqrt {2}}$		$-i(r{\bar {g}}-g{\bar {r}})/{\sqrt {2}}$
$(b{\bar {g}}+g{\bar {b}})/{\sqrt {2}}$		$-i(b{\bar {g}}-g{\bar {b}})/{\sqrt {2}}$
$(r{\bar {r}}-b{\bar {b}})/{\sqrt {2}}$		$(r{\bar {r}}+b{\bar {b}}-2g{\bar {g}})/{\sqrt {6}}$

Nämä ovat yhtäpitäviä Gell-Mannin matriisien kanssa: siinä punainen-antipunainen sijoittuu matriisin vasempaan yläkulmaan, punainen-antisininen vasemman laidan keskimmäiselle riville, sininen-antivihreä alarivin keskimmäiselle sarakkeelle ja niin edelleen. Oleellista tässä on, että nämä kahdeksan hiukkasten tilaa ovat lineaarisesti riippumattomia toisistaan ja myös singlettitilasta: mitään näistä ei tiloista ei voida laskea yhteen siten, että tuloksena olisi jokin kolmas näistä tiloista. Näitä ei myöskään voida laskea yhteen siten, että tuloksena olisi $r{\bar {r}}$ , $g{\bar {g}}$ tai $b{\bar {b}}$ ,^[6] muutoinhan kielletty singlettitila voitaisiin myös saada näitä yhteenlaskemalla. Gluonien värivaraukset voidaan valita muillakin tavoilla, mutta ne kaikki ovat matemaattisesti yhtäpitäviä ja ainakin yhtä monimutkaisia ja johtavat samoihin fysikaalisiin tuloksiin.

Ryhmäteoreettisia yksityiskohtia

Matemaattisesti kvanttikromodynamiikka on mittakenttäteoria, jonka symmetriaryhmä on SU(3). Kvarkkeja käsitellään spinoreina, joiden triplettitila muodostaa mittaryhmän SU(3) fundamentaalin esityksen. Gluonit taas ovat vektorikenttiä Lien ryhmänsä adjungoidussa esityksessä, toisin sanoen ryhmän SU(3) oktettitilassa. Yleisessä Lien ryhmässä välittäjähiukkasten (kuten fotonien tai gluonien) lukumäärä on aina sama kuin tähän liittyvän esitystavan ulottuvuus. Yksinkertaisessa tapauksessa, jossa ryhmä on SU(N), tämä luku on N² − 1.

Ryhmäteorian termein toteamus, että gluoni ei esiinny singlettitilassa, johtuu suoraan siitä, että kvanttikromodynamiikan symmetriaryhmä on SU(3) eikä U(3). Ei ole mitään apriorista syytä, jonka vuoksi näin olisi välttämättä oletettava, mutta havainnot tukevat käsitystä, jonka mukaan symmetriaryhmä on SU(3).^[7]

Kvarkkien ja gluonien vankeus

Koska gluoneilla itselläänkin on värivaraus, ne osallistuvat vahvaan vuorovaikutukseen. Nämä kahden gluonin väliset vuorovaikutukset rajoittavat värikentät säikeen kaltaisiin "virtausputkiin", joissa niitä venytettäessä ilmenee vakiovoima. Tämän voiman vuoksi kvarkit pysyvät ikään kuin vangittuina niistä muodostuviin hadroneihin. Samasta syystä vahva vuorovaikutus ei ilmene suuremmilla kuin 10^-15 metrin etäisyyksillä, mikä suunnilleen vastaa atomiytimen läpimittaa. Tietyn etäisyyden yläpuolella kahta kvarkkia toisiinsa sitovan virtausputken energia kasvaa lineaarisesti. Tarpeeksi suurilla etäisyyksillä tämä johtaa siihen, että tarvitaan vähemmän energiaa uuden kvarkki-antikvarkki-parin muodostamiseen kuin virtausputken pidentämiseen.

Samaan tapaan myös gluonit pysyvät vangittuina hadronien sisään. Tästä seuraa myös, että gluonit eivät suoraan vaikuta ytimessä olevien protonien ja neutronien välisiin voimiin, vaan niitä välittävät mesonit.

Vaikka normaalisti gluonit eivät liiku vapaasti, on ennustettu, että saattaa olla olemassa myös pelkistä gluoneista koostuvia hadroneja, joille on annettu nimi glueball ("liimapallo"). On myös esitetty hypoteettisia eksoottisia hadroneja, joissa gluonit olisivat pääkomponentteina. Ääriolosuhteissa kuten hyvin korkeassa lämpötilassa ja paineessa saattaa muodostua kvarkki-gluoniplasmaa. Sellaisessa plasmassa ei ole hadroneja, vaan kvarkit ja gluonit esiintyvät vapaina hiukkasina.

Kokeelliset havainnot

Ensimmäiset suorat havainnot gluoneista saatiin vuonna 1979, kun PETRA:ssa tehtiin elektronien ja positronien törmäyskokeita. Vähän aikaisemmin oli kuitenkin DESY:n DORIS-III:ssa havaittu ilmiö, joka viittasi kolmen gluonin hajoamiseen. ^[8] ^[9]

Kokeellisesti kvarkkien vankeuden osoittaa se, että yritykset vapaiden kvarkkien löytämiseksi eivät ole onnistuneet. Vapaita gluoneja ei ole koskaan havaittu; kuitenkin Fermilabissa on tilastollisesti osoitettu top-kvarkkien muodostuminen.^[10] Vaikka on saatu viitteitä eksoottisista hadroneista, glueballeja ei myöskään ole havaittu. Kvarkki-gluoniplasma on äskettäin havaittu Brookhaven National Laboratoryn (BNL) Relativistic Heavy Ion Colliderissa (RHIC).^[11]

Lähteet

↑ Eberhard Zeidler: Quantum field theory, s. 135. Määritä julkaisija! ISBN 9783540347620 (englanniksi)
↑ David Griffths: ”1.11: The Standard Model”, Introduction To Elementary Particles. Wiley, 1987. ISBN 0-471-60386-4 (englanniksi)
↑ D.J. Griffiths (1987), pp. 280–281
↑ D.J. Griffiths (1987), p. 281
↑ ^a ^b D.J. Griffiths (1987), p. 280
↑ J. Baez: Why are there eight gluons and not nine? Määritä julkaisu!Määritä ajankohta! Artikkelin verkkoversio. Viitattu 7.5.2011.
↑ D.J. Griffits: Particles & Fields, Scientific American 1980, s. 281
↑ I. Flegel, P. Söding: Twenty-Five Years of Gluons Cern Courrier. Arkistoitu 6.10.2011. Viitattu 7.5.2011.
↑ H.J. Meyer, B. Stella: PLUTO experiments at DORIS and PETRA and the discoveryof the gluon roma3.infn.it. Arkistoitu 22.7.2011. Viitattu 7.5.2011.
↑ M. Chalmers: Top result for Tevatron 6.3.2009. Physics World. Arkistoitu 9.2.2012. Viitattu 5.7.2011.
↑ D. Overbye: In Brookhaven Collider, Scientists Briefly Break a Law of Nature 15.2.2010. New York Times. Viitattu 7.5.2011.

Aiheesta muualla

Hiukkaset fysiikassa

Alkeishiukkaset

Hiukkasfysiikan standardimallin mukaan alkeishiukkasia ovat kvarkit, leptonit ja bosonit

Fermionit

Kvarkit	- ylöskvarkki (u) - ylös-antikvarkki (u) - alaskvarkki (d) - alas-antikvarkki (d) - lumokvarkki (c) - lumo-antikvarkki (c) - outokvarkki (s) - outo-antikvarkki (s) - huippukvarkki (t) - huippu-antikvarkki (t) - pohjakvarkki (b) - pohja-antikvarkki (b)
Leptonit	e⁻ · e⁺ · μ⁻ · μ⁺ · τ⁻ · τ⁺ · v_e · v_e · v_μ · v_μ · v_τ · v_τ

Bosonit

Mittabosonit	γ · g · W^± · Z
Skalaaribosonit	H⁰

Hypoteettiset

Superpartnerit	Aksiino · Chargiino · Fotiino · Gluiino · Gravitiino · Higgsiino · Neutraliino · Sfermionit
Muut	A⁰ · Dilatoni · G · m · Majoroni · Takyoni · W' · Z' · X · Y · Steriili neutriino · Preoni