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.

Рис.2.5. Феймановская диаграмма трехструйного события в реакции аннигиляции . Две кварковые струи и одна глюонная.

Рис.2.6. Трехструйное событие в реакции аннигиляции е^-,е⁺ зарегистрированное детектором JADE на ускорителе PETRA.

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

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.

Слабое взаимодействие. Вионы (промежуточные векторные бозоны)

Слабое взаимодействие – одно из четырех взаимодействий между элементарными частицами. Оно превращает заряженные лептоны в нейтрино, а кварки одного сорта в кварки другого сорта. Слабое взаимодействие значительно слабее сильного и электромагнитного, но гораздо сильнее гравитационного. Согласно кспериментальным данным слабое взаимодействие короткодействующее. Радиус слабого взаимодействия 2 10^{-16 см} , т.е. в тысячу раз меньше чем радиус сильного взаимодействия. Только в слабых взаимодействиях принимают участие нейтрино. При энергиях 1 Гэв процессы со слабым взаимодействием происходят за время 10 ^-10 сек. см. табл.2.6. Интенсивность слабых процессов быстро растет с ростом энергии, пропорционально квадрату энергии в системе центра инеции.

Реакции, вызываемые слабыми взаимодействиями при энергиях порядка 100 Мэв, имеют сечения в 10¹³ раз меньшие, чем сечения сильного взаимодействия. Поэтому реакции, обусловленные слабым взаимодействием можно практически наблюдать, когда сильное или электромагнитное взаимодействия выключены, например, под действием нейтрино. Характерное время протекания «слабых» процессов превышает в 10¹³ раз характерные времена «сильных» процессов. Это сразу позволяет выделить реакции и распады идущие по каналу слабого взаимодействия.

В чисто лептонные процессах участвуют только лептоны: распады мюона и таона (тау-лептона), упругое рассеяние нейтрино на электронах. В полулептонных процессах участвуют лептоны и адроны: лептонные распады заряженных – и К -мезонов, реакции взаимодействия нейтрино с нуклонами. Нелептонные процессы между адронами: распады каонов и гиперонов. Все перечисленные процессы объясняются на основе универсальности слабого взаимодействия существующего между лептонами и кварками, из которых состоят адроны.

В процессах с участием слабого взаимодействия отсутствует зарядовая и зеркальная симметрия, т.е. нарушается пространственная и зарядовая четности, а также изменяются на единицу квантовые числа адронов странность и очарование ( и ).

Наиболее распространенный процесс, обусловленный слабым взаимодействием – бета-распад радиоактивных атомных ядер.

Например, распад свободного нейтрона на протон, электрон, и электронное антинейтрино: . Энерговыделение около 1 Мэв, время распада порядка тысячи сек. Распад нейтрона в кварковой модели показан на рис.2.16.

Рис.2.16. Диаграмма распада нейтрона на протон, электрон и антинейтрино:

в кварковой модели. Один из d - кварков нейтрона испускает отрицательный W ^- - бозон и превращается в u- кварк, т.е. меняет свой аромат. - бозон по каналу слабого взаимодействия распадается на электрон е ^-, и электронное антинейтрино .

Вионы (промежуточные векторные бозоны W⁺, W^-, Z⁰) - кванты слабого взаимодействия имеют массы.