Gliuonas: kas tai — bozonas, perduodantis stipriąją branduolinę jėgą
Gliuonai jungia kvarkus į didesnes daleles. Gliuonai perneša stipriąją jėgą tarp kitų kvarkų, todėl jie laikomi jėgą pernešančiomis dalelėmis. Tą patį daro fotonai, tačiau jie perduoda elektromagnetinę jėgą. Be to, kaip ir fotonai, gliuonai yra 1 sukinio dalelės, o kai dalelė turi 1 sukinį, ji laikoma bozonu.
Gliuonus sunku tirti, nes, nors gamtoje jie egzistuoja nuolat, jie yra tokie maži ir jiems atsiskirti nuo kvarkų reikia tiek daug energijos (apie 2 trilijonus laipsnių), kad mokslininkai apie juos daugiau sužinojo tik dalelių greitintuvuose, pavyzdžiui, Didžiajame hadronų greitintuve CERN.
Kas yra gliuonai ir kodėl jie svarbūs?
Gliuonai yra sąveikos nešėjai (bozonai), kurie perneša stipriąją sąveiką tarp kvarkų. Stiprioji sąveika — tai viena iš pagrindinių gamtos sąveikų, kuri laiko kvarkus kartu sudarant protonus, neutronus ir kitas hadronines daleles. Be gliuonų kvarkai negalėtų susijungti į stabilias daleles, todėl ir atomų branduoliai neegzistuotų tokiu, kokius juos pažįstame.
Pagrindinės savybės
- Sukinys: gliuonai turi sukinį 1, todėl priskiriami bozonams.
- Masė: teoriškai gliuonai yra bemasiai kaip ir fotonai, tačiau dėl stiprios sąveikos ir uždaroje būsenoje gali pasireikšti sudėtingas efektas (pvz., efektyvi masė konfinuotoje sistemoje).
- Spalvinė krūvis: skirtingai nei fotonai, gliuonai neša „spalvinį“ krūvį (color charge) — todėl jie gali tarpusavyje sąveikauti. Dėl to QCD (kvantinė chromodinamikа) yra neabelinis teorinis modelis.
- Aštuoni tipai: standartinis teorinis modelis numato aštuonis nepriklausomus gliuonų būsenų derinius, susijusius su SU(3) simetrija.
- Savarankiška sąveika: kadangi gliuonai neša spalvinį krūvį, jie gali iškeisti kitus gliuonus — tai skiriasi nuo fotonų, kurie neturi elektrinio krūvio ir tarpusavyje nesąveikauja.
Konfinementas ir asimptotinis laisvumas
Du svarbūs stipriosios sąveikos bruožai yra:
- Konfinementas: kvarkai ir gliuonai negali būti atskleisti kaip laisvos dalelės įprastinėmis sąlygomis — jie visada susiformuoja į hadronus. Bandant atskirti kvarkus, energija kaupiama „spalvinėse“ vielose (flux tubes) ir galiausiai formuojami nauji kvarkų–antiquarkų poros.
- Asimptotinis laisvumas: aukštose energijose (arba labai mažais atstumais) kvarkų ir gliuonų tarpusavio sąveika silpsta, todėl jie elgiasi beveik laisvai. Tai paaiškina, kodėl kai kuriuos reiškinius galima tyrinėti dalelių greitintuvuose.
Gliuonų vaidmuo branduolyje ir „likutinė“ sąveika
Nors gliuonai sukausto kvarkus hadronuose, tarp protonų ir neutronų branduolyje dominuoja vadinamoji likutinė stiprioji sąveika (residual strong force). Ji kyla kaip stipriosios sąveikos atgarsis ir dažnai aprašoma kaip mezonų (pvz., pionų) mainai tarp nukleonų. Kitaip tariant, tiesiogiai branduolio jėgų perdavimą atlieka ne laisvi gliuonai, o tarpinės dalelės (mezoniai) — tačiau šių mezonų egzistavimą lemia gliuonų sąveikos tarp kvarkų.
Kaip mokslininkai juos tiria?
Gliuonai tiesiogiai neatsiskiria, todėl jų buvimas ir savybės nustatomi netiesioginiais metodais:
- Dalelių greitintuvuose atliekamos didelės energijos susidūrimų eksperimentai; iš jų gaunami „šiukšlių“ pavidalo spinduliai (jet'ai), kuriuose galima atpažinti gliuonų sukeltus efektus.
- Sunkiųjų jonų susidūrimai (pvz., CERN LHC, RHIC) gali sukurti kvarkū–gliuonų plazmą — trumpalaikę medžiagą, kurioje kvarkai ir gliuonai būna dekonfinuoti, kas leidžia tiesiogiau tirti jų savybes. Tokiai plazmai susidaryti reikia labai aukštos temperatūros (apie kelis trilijonus laipsnių), todėl eksperimentai dažnai minimi kartu su tokiomis temperatūromis.
- Teoriniai skaičiavimai, ypač skaitmeniniai metodai kaip „lattice QCD“ (tinklinė kvantinė chromodinamika), padeda modeliuoti gliuonų sąveikas ir prognozuoti stebimus reiškinius.
Kitos įdomybės
- Glueball'ai: kvantinėje chromodinamikoje prognozuojamos dalelės, sudarytos tik iš gliuonų (be kvarkų). Iki galo neaišku, ar kuri nors eksperimentinė būsena tikrai atitinka čistą glueball — jų paieškos yra aktyvios.
- Protono masa ir spin: dalis protono masės ir spino kyla iš gliuonų energijos ir judėjimo, o ne tik nuo kvarkų masių.
Santrauka
Gliuonai yra pagrindiniai stipriosios sąveikos nešėjai: tai 1 sukinio bozonai, neturintys masės teoriškai ir nešantys spalvinį krūvį, todėl gali tarpusavyje sąveikauti. Jie laiko kvarkus kartu hadronuose, lemia branduolio struktūrą ir sudaro tyrimų centrą dalelių fizikoje. Dėl konfinemento jų neįmanoma atskirti kaip laisvų dalelių, todėl mūsų žinios apie juos kyla iš aukštos energijos eksperimentų, teorinių skaičiavimų ir stebimų tarpinio poveikio efektų.
Banguojančios linijos, jungiančios aukštyn (u) ir žemyn (d) kvarkus, yra gliuonai.
Klausimai ir atsakymai
K: Kas yra gliuonai?
A: Gliuonai yra subatominės dalelės, kurios sulaiko kvarkus ir sudaro didesnes daleles.
K.: Kokią jėgą gliuonai perneša tarp kvarkų?
Atsakymas: Gliuonai tarp kvarkų perduoda stipriąją jėgą.
K: Kokio tipo dalelė yra gluonas?
Atsakymas: Gliuonai laikomi jėgą pernešančiomis dalelėmis ir yra bozonai, nes turi sukinį 1.
K: Kaip fotonai ir gliutonai skiriasi savo funkcijomis?
A: Ir fotonai, ir gliuonai perneša jėgą tarp dalelių: fotonai perneša elektromagnetinę jėgą, o gliuonai - stipriąją jėgą.
K: Kodėl sunku tirti gliuonus?
A: Gliūnus sunku tirti, nes jie yra labai maži ir jiems atsiskirti nuo kvarkų reikia labai daug energijos (apie 2 trilijonus laipsnių).
K: Kur mokslininkams pavyko ištirti gluonus ir kitas subatomines daleles?
A: Mokslininkai galėjo tirti gluonus ir kitas subatomines daleles naudodamiesi dalelių greitintuvais, pavyzdžiui, Didžiuoju hadronų greitintuvu CERN.
K: Kokia yra dalelės bozono reikšmė?
A.: Dalelės kaip bozono reikšmė yra ta, kad ji turi sveiką sukinį, pavyzdžiui, gliuonai turi sukinį-1, ir jai galioja Bozės-Einšteino statistika, kuri gali turėti svarbios reikšmės kvantinei mechanikai.
