Gluon
Obsah boxu
Gluon (symbol g) je elementární částice a kalibrační boson, který zprostředkovává silnou interakci mezi kvarky. Je zodpovědný za držení kvarků pohromadě uvnitř hadronů, jako jsou protony a neutrony, a také za zbytkovou silnou interakci, která váže protony a neutrony dohromady v atomových jádrech.
Název pochází z anglického slova glue (lepidlo), což výstižně popisuje jeho funkci "lepení" kvarků. Na rozdíl od fotonu, který zprostředkovává elektromagnetickou interakci, ale sám nenese elektrický náboj, gluony nesou barevný náboj, což je obdoba elektrického náboje pro silnou interakci. To vede k tomu, že gluony interagují nejen s kvarky, ale i samy se sebou, což dává silné interakci její unikátní a velmi složité vlastnosti, jako je uvěznění kvarků a asymptotická volnost.
Gluony jsou klíčovou součástí Standardního modelu částicové fyziky a jejich existence byla experimentálně potvrzena v roce 1979 v německé laboratoři DESY.
📜 Historie a objev
Koncept gluonů se zrodil spolu s kvarkovým modelem v 60. letech 20. století. Poté, co Murray Gell-Mann a George Zweig nezávisle na sobě navrhli, že hadrony jako protony a neutrony nejsou fundamentální, ale skládají se z menších částic zvaných kvarky, vyvstala otázka, co tyto kvarky drží pohromadě. Síla musela být extrémně silná, aby překonala elektrické odpuzování mezi stejně nabitými kvarky (například v protonu jsou dva kvarky "up" s nábojem +2/3 e).
Teoretickým základem pro popis této síly se stala kvantová chromodynamika (QCD), vyvinutá na začátku 70. let 20. století. QCD je kvantová teorie pole, která popisuje silnou interakci podobně, jako kvantová elektrodynamika (QED) popisuje elektromagnetismus. V rámci QCD byla postulována existence zprostředkující částice – gluonu.
Přímý experimentální důkaz existence gluonů přišel v roce 1979 na urychlovači PETRA v německém výzkumném centru DESY v Hamburku. Při vysokoenergetických srážkách elektronů a pozitronů fyzikové pozorovali tzv. třístopé události (three-jet events). Standardní proces by měl vytvořit pár kvark-antikvark, které by se projevily jako dvě stopy (jety) částic letící opačnými směry. V některých případech však byla pozorována třetí stopa. To bylo interpretováno tak, že jeden z kvarků vyzářil vysokoenergetický gluon, který se následně sám rozpadl na další částice a vytvořil tak třetí jet. Tento objev, potvrzený několika experimentálními skupinami (TASSO, PLUTO, JADE a MARK-J), byl považován za definitivní potvrzení existence gluonů.
⚙️ Základní vlastnosti
Gluony mají několik klíčových vlastností, které je odlišují od ostatních kalibračních bosonů.
Nulová hmotnost a náboj
Podle Standardního modelu mají gluony nulovou klidovou hmotnost. Ačkoliv existují experimentální limity, teoreticky se předpokládá, že jsou přesně nehmotné. Stejně tak mají nulový elektrický náboj, takže neinteragují prostřednictvím elektromagnetické síly.
Spin
Jako všechny kalibrační bosony, i gluon je boson se spinem rovným 1. To znamená, že se jedná o vektorový boson.
Barevný náboj
Nejdůležitější a nejunikátnější vlastností gluonů je, že samy nesou barevný náboj, tedy "náboj" silné interakce. Zatímco foton je elektricky neutrální, gluon je "barevně nabitý". Tento fakt má zásadní důsledky:
- Samointerakce gluonů: Gluony mohou interagovat nejen s kvarky, ale i samy se sebou. To vede k velmi složité dynamice silné síly a je to hlavní důvod, proč jsou výpočty v QCD mnohem obtížnější než v QED.
- Existence 8 typů gluonů: Barevný náboj existuje ve třech variantách (barvách): červená, zelená a modrá, a třech odpovídajících anti-barvách. Gluon nese kombinaci jedné barvy a jedné anti-barvy (např. červená-antizelená). Matematicky by existovalo 3 × 3 = 9 takových kombinací. Jedna z nich je však tzv. "bezbarvý singlet" (kombinace červená-antičervená + zelená-antizelená + modrá-antimodrá), který neinteraguje. Proto existuje pouze 8 nezávislých typů (barevných stavů) gluonů.
🔬 Role v kvantové chromodynamice
Chování gluonů a jejich interakce s kvarky popisuje kvantová chromodynamika (QCD). Tato teorie předpovídá dva zásadní a na první pohled protichůdné jevy.
Uvěznění (Confinement)
Samointerakce gluonů způsobuje, že silové pole mezi dvěma kvarky se nechová jako elektrické pole, které slábne se čtvercem vzdálenosti. Místo toho se mezi kvarky vytváří tzv. gluonová trubice (flux tube) s téměř konstantní hustotou energie. To znamená, že síla mezi kvarky se vzdáleností neklesá, ale zůstává přibližně konstantní.
Důsledkem je uvěznění kvarků (color confinement). Pokus o oddělení dvou kvarků vyžaduje nekonečné množství energie. V praxi, pokud se do systému dodá dostatek energie na jejich oddělení, tato energie se přemění na vytvoření nového páru kvark-antikvark, které se spojí s původními kvarky a vytvoří dva nové hadrony. Z tohoto důvodu nelze nikdy pozorovat volný, izolovaný kvark nebo gluon. Všechny pozorované částice musí být "bezbarvé" (barevně neutrální).
Asymptotická volnost
Naopak při velmi vysokých energiích (což odpovídá velmi krátkým vzdálenostem) se efektivní síla silné interakce zmenšuje. Kvarky a gluony se uvnitř hadronu na velmi malých vzdálenostech chovají téměř jako volné částice. Tento jev se nazývá asymptotická volnost. Jeho objev v roce 1973 Davidem Grossem, Frankem Wilczekem a Davidem Politzerem byl klíčový pro přijetí QCD jako správné teorie silné interakce a v roce 2004 jim vynesl Nobelovu cenu za fyziku.
Gluonové koule (Glueballs)
Protože gluony interagují samy se sebou, QCD předpovídá existenci exotických vázaných stavů složených pouze z gluonů, bez jakýchkoliv kvarků. Tyto hypotetické částice se nazývají gluonové koule (glueballs). Jejich experimentální hledání je velmi obtížné, protože se mohou mísit s běžnými mezonovými stavy. Několik kandidátů na gluonové koule bylo navrženo, ale jejich existence stále není definitivně potvrzena.
💡 Pro laiky
Představte si dva kvarky jako dva lidi, kteří jsou k sobě připoutáni extrémně silnou a zvláštní gumou. Tato guma představuje silnou sílu zprostředkovanou gluony.
- Uvěznění: Když se lidé (kvarky) snaží od sebe vzdálit, guma se napíná a táhne je zpět k sobě. Na rozdíl od normální gumy, tato "gluonová guma" nikdy nepraskne. Místo toho, když do ní vložíte obrovské množství energie (taháte opravdu silně), se z této energie uprostřed gumy vytvoří nový pár lidí (kvark a antikvark) a původní guma se rozdělí na dvě nové, kratší gumy. Výsledkem jsou dva páry lidí, každý spojený svou vlastní gumou. Nikdy nezískáte jednoho volného člověka.
- Samointerakce: Gluony jsou jako kousky samotné gumy, které jsou také lepkavé. Mohou se tedy lepit nejen na lidi (kvarky), ale i samy na sebe. To je důvod, proč je ta guma tak silná a složitá.
- Asymptotická volnost: Když jsou lidé (kvarky) velmi, velmi blízko u sebe, guma je téměř volná a povolená. V tu chvíli se mohou pohybovat skoro svobodně, jako by mezi nimi žádná síla nebyla.
🌌 Význam a výzkum
Gluony hrají zásadní roli v našem chápání hmoty. Ačkoliv jsou samy nehmotné, energie jejich pole a kinetická energie uvězněných kvarků tvoří více než 99 % hmotnosti protonů a neutronů, a tedy i téměř veškeré viditelné hmoty ve vesmíru. Hmotnost samotných kvarků přispívá jen malým zlomkem.
Současný výzkum se zaměřuje na studium extrémních stavů hmoty, kde by kvarky a gluony mohly být dočasně "osvobozeny". Při extrémně vysokých teplotách a tlacích, jaké panovaly krátce po Velkém třesku, by měla hmota existovat ve formě tzv. kvark-gluonového plazmatu. Tento stav hmoty je experimentálně vytvářen a studován na urychlovačích, jako je Large Hadron Collider (LHC) v CERNu nebo Relativistic Heavy Ion Collider (RHIC) v Spojených státech. Studium vlastností tohoto plazmatu nám pomáhá lépe porozumět fundamentálním vlastnostem silné interakce a raným fázím vývoje vesmíru.