Gluoni

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.
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.
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:
formula_1
Tämä luetaan "punainen-antisininen plus sininen-antipunainen". Tässä "r" merkitsee "punaista" () ja "b" "sinistä" () värivarausta; kvarkkien kolmas värivaraus on "vihreä", "g" (). Tekijä formula_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. 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.
Tämä singlettitila voidaan esittää muodossa:
formula_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:
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 formula_4, formula_5 tai formula_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 .
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).