Gluoni

Ominaisuudet

Gluoneja on kahdeksaa eri tyyppiä ja niillä on myös itsellään värivaraus eli ne tuntevat vahvan vuorovaikutuksen. 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.

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).

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.  
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. 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).