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グルーオン

J
Japedia 編集部
|更新日: 不明

グルーオン（/ ˈɡluːɒn / GLOO -on ）は、クォーク間の強い相互作用を媒介する質量のない素粒子の一種で、相互作用の交換粒子として機能します。グルーオンは質量のないベクトルボソンであり、スピンは1です。 [ 7 ]強い相互作用を通して、グルーオンは量子色力学（QCD）に従ってクォークをグループに結合し、陽子や中性子などのハドロンを形成します。

グルーオンは強い相互作用の色電荷を担い、それによって強い相互作用に関与すると同時に、それを媒介する役割も果たします。グルーオンが色電荷を担うため、光子が電荷を持たない量子電磁力学（QED）に比べて、量子色力学（ QCD）の解析はより困難です。

この用語は、原子核をまとめる接着剤や糊に似ていることから、1962年にマレー・ゲルマンによって造語されました[ a ] 。 [ 9 ]クォークとともに、これらの粒子はリチャード・ファインマンによってパートンと呼ばれました[ 10 ]。

物件

グルーオンはベクトルボソンであり、スピンは 1ħ です。質量を持つスピン 1 の粒子は 3 つの偏極状態を持ちますが、グルーオンのような質量のないゲージボソンは、ゲージ不変性により場の偏極がグルーオンの進行方向に対して垂直である必要があるため、2 つの偏極状態しかありません。量子場理論では、ゲージ不変性が破れていないためには、ゲージボソンの質量がゼロである必要があります。実験では、グルーオンの静止質量 (存在する場合) は数 MeV/ c 2未満に制限されています。グルーオンは負の固有パリティを持ちます。 

グルーオンの数え方

QCDには8種類の独立したグルーオンが存在する。これはQEDの光子や、弱い相互作用における3種類のWボソンとZボソンとは異なる。

さらに、グルーオンはカラー電荷現象の影響を受けます。クォークは3種類のカラー電荷を持ち、反クォークは3種類の反カラー電荷を持ちます。グルーオンはカラー電荷と反カラー電荷の両方を持ちます。これにより、グルーオンにおけるカラー電荷と反カラー電荷の組み合わせは9通り考えられます。以下に、それらの組み合わせ（およびその模式図名）を示します。

  • 赤-反赤 ( rr )、赤-反緑 ( r g )、赤-反青 ( r b )
  • 緑-アンチレッド（gr ）、緑-アンチグリーン（gg ）、緑-アンチブルー（gb ）
  • 青-アンチレッド ( b r )、青-アンチグリーン ( b g )、青-アンチブルー ( b b )
図 2: e + e − → Υ(9.46) → 3g

これらの組み合わせはあくまで有効な状態であり、グルーオンの実際の観測された色状態ではありません。それらがどのように組み合わされるかを理解するには、色電荷の数学的側面をより詳細に検討する必要があります。

色の単一状態

陽子や中性子などのハドロンを含む安定な強相互作用粒子は「無色」であることが観測されている。より正確には、それらは「カラーシングレット」状態にあり、数学的にはスピンシングレット状態に類似している。[ 11 ]これらの状態は他のカラーシングレットとの相互作用は可能であるが、他のカラー状態との相互作用は不可能である。長距離グルーオン相互作用が存在しないため、これはシングレット状態のグルーオンも存在しないことを示している。[ 11 ]

色のシングレット状態は次のとおりです。[ 11 ]

（rr¯+bb¯+gg¯）/3。{\displaystyle (r{\bar {r}}+b{\bar {b}}+g{\bar {g}})/{\sqrt {3}}.}

もし州の色を測定できるとしたら、赤と反赤、青と反青、緑と反緑になる確率はそれぞれ等しいだろう。

8つのカラー状態

残りの8つの独立した色状態は、グルーオンの「8つのタイプ」または「8つの色」に対応しています。これらの状態は混在させることができるため、これらの状態を表現する方法は複数あります。これらは「カラーオクテット」として知られており、それぞれについて一般的に使用されるリストは次のとおりです。[ 11 ]

これらはゲルマン行列に相当します。これら 8 つの特定の状態の重要な特徴は、線形独立であり、一重項状態にも依存しないため、3 2 − 1 または 2 3となることです。これらの状態の任意の組み合わせを追加して他の状態を生成する方法はありません。また、これらを追加してr r、g g、またはb b [ 12 ]を禁制の一重項状態にすることも不可能です。他にも多くの選択肢がありますが、すべて数学的に等価であり、少なくとも同じくらい複雑で、同じ物理的結果をもたらします。  

群論の詳細

形式的には、QCD はSU(3)ゲージ対称性を持つゲージ理論です。クォークはN fフレーバーのスピノルとして導入され、それぞれがカラーゲージ群 SU(3) の基本表現(3 組、3と表記) に属します。グルーオンはカラー SU(3) の随伴表現(8 組、8と表記) のベクトルです。一般的なゲージ群の場合、光子やグルーオンなどの力伝達子の数は常に随伴表現の次元に等しくなります。単純な SU( n ) の場合、この表現の次元はn 2 − 1です。

群論では、量子色力学はU( 3) 対称性ではなく SU(3) 対称性を持つため、カラーシングレットグルーオンは存在しません。どちらかの群が他方よりも優先される既知の先験的な理由はありませんが、上述のように、実験的証拠は SU(3) を支持しています。 [ 11 ]もし群が U(3) であれば、9 番目の (無色シングレット) グルーオンは他の 8 つのグルーオンとは異なり、「第 2 光子」のように振る舞います。[ 13 ]

監禁

長距離では、磁束管が「切断」され、クォーク・反クォーク対が形成される。

グルーオン自体がカラー電荷を持つため、強い相互作用に関与します。これらのグルーオン-グルーオン相互作用により、カラー場は「フラックスチューブ」と呼ばれる紐状の物体に閉じ込められ、引き伸ばされると一定の力が働きます。この力により、クォークはハドロンと呼ばれる複合粒子内に閉じ込められます。これにより、強い相互作用の範囲は実質的に制限されます。10⁻¹⁵メートル、おおよそ 核子の大きさ。ある一定の距離を超えると、2つのクォークを束縛する磁束管のエネルギーは直線的に増加する。十分に大きな距離では、磁束管の長さを増やすよりも、クォーク・反クォーク対を真空から引き出す方がエネルギー的に有利になる。

グルーオンのハドロン閉じ込め特性の帰結の一つとして、グルーオンはハドロン間の核力に直接関与しないという点が挙げられる。これらの核力の媒介となるのは、メソンと呼ばれる別のハドロンである。

QCDの通常相では単一のグルーオンは自由に移動できないかもしれないが、グルーオンのみで構成されるハドロン（グルーボールと呼ばれる）が存在すると予測されている。また、通常のハドロンに見られる仮想グルーオンとは対照的に、実グルーオンが主要な構成要素となる他のエキゾチックなハドロンについても推測されている。QCDの通常相を超えると（極限的な温度と圧力下では）、クォーク・グルーオン・プラズマが形成される。このようなプラズマにはハドロンは存在せず、クォークとグルーオンは自由粒子となる。

実験観察

クォークとグルーオン（色付き）は、さらに多くのクォークとグルーオンに断片化することで現れ、それらは今度は通常の（無色）粒子にハドロン化され、ジェットで相関します。1978年の 夏季会議で明らかにされたように[ 2 ] 、電子陽電子衝突型加速器DORIS（DESY ）のPLUTO検出器は、非常に狭い共鳴Υ(9.46)のハドロン崩壊が、 3つのグルーオンによって生成された3ジェットイベントトポロジーとして解釈できるという最初の証拠を生み出しました。その後、同じ実験による発表された解析により、この解釈とグルーオンのスピン= 1の性質が確認されました[ 14 ] [ 15 ]（回想[ 2 ]とPLUTO実験も参照）。  

1979 年夏 、電子・陽電子衝突型加速器PETRA (DESY) でより高いエネルギーにおいて、3 つのジェット トポロジーが再び観測され、TASSO [ 16 ]、MARK-J [ 17 ]、および PLUTO 実験[ 18 ] (後に 1980 年にJADE [ 19 ]でも)により、q qグルーオン制動放射として明確に観測され、解釈された。グルーオンのスピン= 1 特性は、1980 年に TASSO [ 20 ]および PLUTO 実験[ 21 ]によって確認された(レビュー[ 3 ]も参照)。1991 年にCERNのLEP蓄積リングで行われた後続の実験で、この結果が再び確認された。[ 22 ]  

グルーオンは、QCDで記述され、DESYの電子-陽子衝突型加速器HERAで特に研究されている、クォークとグルーオン間の基本的な強い相互作用において重要な役割を果たします。陽子中のグルーオンの数と運動量分布（グルーオン密度）は、1996年から2007年にかけてH1とZEUSの2つの実験で測定されました[ 23 ] 。陽子スピンへのグルーオンの寄与は、HERAのHERMES実験で研究されています[ 24 ]。光子（ハドロン的に振る舞う場合）中のグルーオン密度も測定されています[ 25 ] 。

色の閉じ込めは、自由クォーク探索（分数電荷の探索）の失敗によって検証されます。クォークは通常、量子色とフレーバー数を補償するためにペア（クォーク＋反クォーク）で生成されますが、フェルミラボではトップクォークの単一生成が実証されています。[ b ] [ 26 ]グルーボールは実証されていません。

2000年にCERN SPSで重イオン衝突において閉じ込め解除が主張され[ 27 ]、それは新しい物質の状態、すなわち原子核よりも相互作用が少なく、ほぼ液体のようなクォークグルーオンプラズマを意味する。これは2004年から2010年にかけてブルックヘブン国立研究所の相対論的重イオン衝突型加速器（RHIC）で4つの同時実験によって発見された[ 28 ] 。2010年にはCERN大型ハドロン衝突型加速器（LHC）でALICE、ATLAS、CMSの3つの実験によりクォークグルーオンプラズマ状態が確認された[ 29 ]。

バージニア州ニューポートニューズにあるジェファーソン研究所の連続電子ビーム加速器施設[ c ]は、グルーオンの研究を行っているエネルギー省の10の施設のうちの1つです。バージニア州の研究所は、ニューヨーク州ロングアイランドにあるブルックヘブン国立研究所と、新しい電子イオン衝突型加速器の建設資金をめぐって競合していました。[ 30 ] 2019年12月、米国エネルギー省はブルックヘブン国立研究所を電子イオン衝突型加速器の設置場所に選びました。[ 31 ] 

関連項目

脚注

  1. ↑インタビューでゲルマンは、この用語はエドワード・テラーによって造語されたと考えていると述べた。 [ 8 ]
  2. ↑厳密に言えば、フェルミラボでの単一のトップクォーク 生成は依然として対生成を伴うが、クォークと反クォークは異なるフレーバーである。
  3. ↑ジェファーソン研究所は、バージニア州ニューポートニューズにあるトーマス・ジェファーソン国立加速器施設の愛称です。

参考文献

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  9. ↑ガリスト、ダニエル (2017-05-30)。「素粒子物理学の簡単な語源 | symmetry magazine」。Symmetry Magazine。2024-02-02に閲覧。
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  22. ↑アレクサンダー、G.他。 （OPALとのコラボレーション）（1991年）。 「 √s = 91 GeVでの e + e −対消滅におけるグルーオン スピンに敏感な 3 ジェット分布の測定」 (PDF)。物理学のためのツァイシュリフト C . 52 (4): 543。ビブコード: 1991ZPhyC..52..543A。土井：10.1007/BF01562326。hdl : 2066/124457。S2CID 51746005。    
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  30. ↑ノーラン、ジム（2015年10月19日）「ジェフ研究所がイオン衝突型加速器の入札に参加、州は経済の大爆発を期待」リッチモンド・タイムズ・ディスパッチ、 A1、A7ページ、 2015年10月19日閲覧。これらの手がかりは、科学者に宇宙を一つにまとめているものについてのより深い理解をもたらす可能性がある。 
  31. ↑ 「米国エネルギー省、主要な新原子核物理施設の設置場所としてブルックヘブン国立研究所を選定」（プレスリリース）。DOE 。 2020年1月9日。 2020年6月1日閲覧。

さらに読む

  • A. Ali および G. Kramer (2011). "JETS と QCD: クォークおよびグルーオン ジェットの発見とその QCD への影響に関する歴史的レビュー". European Physical Journal H . 36 (2): 245– 326. arXiv : 1012.2288 . Bibcode : 2011EPJH...36..245A . doi : 10.1140/epjh/e2011-10047-1 . S2CID 54062126 . 
  • ケンブリッジ配布資料8  ：量子色力学 – 素粒子物理学

外部リソース

  • Big Thinkのウェブサイト、QCDオクテットの分かりやすい説明
  • グルーオンはなぜ8個であって9個ではないのか？
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