Gluon: Unterschied zwischen den Versionen
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In der [[Teilchenphysik]] sind die '''Gluonen''' (engl. to glue = kleben) [[Elementarteilchen]], die indirekt für die Anziehung von [[Proton]]en und [[Neutron]]en in einem [[Atomkern]] verantwortlich sind. Das Symbol für das Gluon ist <math>\mathrm {g}</math>. | In der [[Teilchenphysik]] sind die '''Gluonen''' (engl. ''to glue'' = kleben) [[Elementarteilchen]], die indirekt für die Anziehung von [[Proton]]en und [[Neutron]]en in einem [[Atomkern]] verantwortlich sind. Das Symbol für das Gluon ist <math>\mathrm {g}</math>. | ||
Damit bilden die Gluonen die [[Austauschteilchen]] der [[Starke Wechselwirkung|starken Wechselwirkung]]. Es gibt acht verschiedene Gluonen, die zwischen [[Quark (Physik)|Quarks]], den Bausteinen der [[Hadron]]en ([[Baryon]]en, z. B. Protonen und Neutronen, und [[Meson]]en), ausgetauscht werden. Gluonen können aber auch direkt mit anderen Gluonen wechselwirken, so dass Teilchen, die | Damit bilden die Gluonen die [[Austauschteilchen]] der [[Starke Wechselwirkung|starken Wechselwirkung]]. Es gibt acht verschiedene Gluonen, die zwischen [[Quark (Physik)|Quarks]], den Bausteinen der [[Hadron]]en ([[Baryon]]en, z. B. Protonen und Neutronen, und [[Meson]]en), ausgetauscht werden. Gluonen können aber auch direkt mit anderen Gluonen wechselwirken, so dass Teilchen existieren könnten, die nur aus Gluonen bestehen, die [[Glueball]]s. | ||
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Gluonen sind elektrisch neutral und werden innerhalb des [[Standardmodell]]s als masselos angenommen, während experimentell eine Masse von einigen [[Elektronenvolt|MeV]] nicht ausgeschlossen werden kann. | Gluonen sind elektrisch neutral und werden innerhalb des [[Standardmodell]]s als masselos angenommen, während experimentell eine Masse von einigen [[Elektronenvolt|MeV]] nicht ausgeschlossen werden kann. | ||
Sie besitzen eine [[Farbladung]], die sich immer aus einer „Farbe“ und einer „Antifarbe“ zusammensetzt. Durch diese können die verschiedenen Gluonen unterschieden werden. | Sie besitzen eine [[Farbladung]], die sich immer aus einer „Farbe“ und einer „Antifarbe“ zusammensetzt. Durch diese können die verschiedenen Gluonen unterschieden werden. | ||
Aus gruppentheoretischen Überlegungen ergeben sich die möglichen Kombinationen von Farben und Antifarben in Gluonen | Aus [[Gruppentheorie|gruppentheoretischen]] Überlegungen ergeben sich die möglichen Kombinationen von Farben und Antifarben in Gluonen: | ||
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(In Worten: Das direkte Produkt des Farb[[Multiplizität|tripletts]] mit dem Antifarb-Triplett ergibt die direkte Summe, bestehend aus Oktett und einem Singulett). | |||
Das Singulett ist nicht in der Lage, die Farbe eines Quarks zu ändern, da es einen total-symmetrischen Zustand darstellt. Man kann sich diesen Sachverhalt in Analogie zu [[Spin]]zuständen vorstellen. Alle in der Natur auftretenden Gluonen tragen „Bruttofarbe“ (entspricht: der ''Gesamtspin'' ist von null verschieden). Darunter befinden sich zwei Gluonen (die beiden letzten in der folgenden Auflistung), die keine „Nettofarbe“ besitzen (entspricht: z-''Komponente'' des Spins ist null); aber „Bruttofarbe“ besitzen auch sie. Dagegen ist das Singulett <math>(r\bar{r} + b\bar{b} + g\bar{g})/\sqrt{3}</math><ref name="Griffiths">David J. Griffiths: ''Introduction to Elementary Particles.'' Wiley, John & Sons, New York 1987, ISBN 0-471-60386-4.</ref> echt farblos (<math>\hat =</math> Gesamtspin 0) so, wie ein reeller oder komplexer Zahlenfaktor, und wenn es existierte, wäre es auf Grund seiner fehlenden Farbladung nicht durch [[Confinement]] gebunden, d. h., es würde eine Komponente der starken Wechselwirkung mit unendlicher Reichweite existieren, die in der Natur jedoch nicht beobachtet wird. Aus diesem Grund ist diese Kombination nicht realisiert, und die [[Quantenchromodynamik]] wird durch die [[Symmetriegruppe]] [[Spezielle unitäre Gruppe|<math>SU(3)_C</math>]] beschrieben.<ref>Der Index ''C'' soll ''colour'' bedeuten (das englische Wort für Farbe).</ref> Während also die <math>U(3)_C </math> insgesamt <math>N^2 = 3^2 = 9</math> [[Erzeuger (Algebra)|Generatoren]] hat und damit 9 [[Eichtheorie|Eichfelder]] (Gluonen) besitzen würde, erhält man für die Gruppe <math>SU(N=3)</math> nur <math>N^2 - 1 = 8</math> Generatoren (die [[Gell-Mann-Matrizen]]), und es ergeben sich die üblichen acht Gluon-[[Wellenfunktion]]en: | |||
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\psi_{1} & =|r\bar{g}\rangle\,,\quad & \psi_{2} & =|r\bar{b}\rangle\,,\\ | \psi_{1} & =|r\bar{g}\rangle\,,\quad & \psi_{2} & =|r\bar{b}\rangle \, ,\\ | ||
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\psi_{7} & =\ | \psi_{7} & =\tfrac{1}{\sqrt{2}}\left(|r\bar{r}\rangle-|g\bar{g}\rangle\right) \, ,\; & | ||
\psi_{8} & =\ | \psi_{8} & =\tfrac{1}{\sqrt{6}}\left(|r\bar{r}\rangle+|g\bar{g}\rangle-2|b\bar{b}\rangle\right) \, . | ||
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Hier bedeutet beispielsweise die 1. Kombination, dass das Gluon mit einem grünen Quark reagieren kann und dessen Farbe in Rot ändert.<ref>Eine andere Wahl der Basis findet sich | Hier bedeutet beispielsweise die 1. Kombination, dass das Gluon mit einem grünen Quark reagieren kann und dessen Farbe in Rot ändert.<ref>Eine andere Wahl der Basis findet sich in der englischen WP, ebenfalls unter '[[:en:Gluon|Gluon]]'.</ref> | ||
Die Verhältnisse sind analog zum Zweiteilchen-Spinprodukt <math>\langle \psi_i(1)\psi_k(2)\rangle \, ,</math> mit <math>\psi_i</math> bzw. <math>\psi_k = \mathord\uparrow</math> oder <math>\mathord\downarrow \, ,</math> d. h. mit zwei Basiszuständen <math>\psi = \mathord\uparrow</math> bzw. <math>\psi = \mathord\downarrow \, .</math> Man kann daraus vier unabhängige [[Linearkombination]]en bilden; drei davon, <math>\psi_1= \mathord\uparrow \mathord\uparrow \, , \psi_2=({1/\sqrt {2}})(\uparrow \downarrow + \downarrow\uparrow)</math> sowie <math>\psi_3=\mathord\downarrow\mathord\downarrow</math>, ergeben ein zusammengehöriges ''Triplett'' (Gesamtspin = Bruttospin: ''S''=1; [[Quantenzahl #Magnetische Quantenzahl des Bahndrehimpulses|magnetische Quantenzahl]] (Nettospin) ''M''=+1 bzw. 0 bzw. −1; eine vierte Funktion,<math>({1/\sqrt {2}})(\uparrow \downarrow -\downarrow\uparrow ) \, ,</math> gehört zum ''Singulett''-Zustand (Bruttospin=Nettospin S=0). Die Zusatzkomplikation der Gluonen ist, verglichen mit dieser Analogie, dass man ''N=3'' anstelle von ''N=2'' betrachtet und dass man statt des Tripletts an Basiszuständen ein Oktett hat. | |||
Die | Die von den Gluonen vermittelte Anziehung zwischen den Quarks – und daraus folgend zwischen Protonen und Neutronen – ist für die Stabilität der Atomkerne verantwortlich (Zusammenhalt der Protonen und Neutronen im Atomkern; die Protonen würden sich ansonsten aufgrund ihrer gleichen [[elektrische Ladung|elektrischen Ladung]] abstoßen). | ||
Die | Die [[Quantenchromodynamik]] (QCD) ist die heute akzeptierte Theorie zur Beschreibung der starken [[Grundkräfte der Physik|Wechselwirkung]]. In ihr vermitteln Gluonen-Kräfte zwischen [[Teilchen (Physik)|Teilchen]], die eine Farbladung tragen. Wenn zwischen zwei Quarks ein Gluon ausgetauscht wird, ändert sich die Farbladung der beteiligten Quarks. Das Gluon trägt dazu jeweils eine Antifarbladung zur Kompensation der ursprünglichen Farbladung des Quarks sowie die neue Farbladung des Quarks. Da das Gluon selbst auch eine Farbladung trägt, kann es mit anderen Gluonen wechselwirken. Diese ''Selbstwechselwirkung'', d. h. die Wechselwirkung der die Wechselwirkung vermittelnden Teilchen miteinander, macht die mathematische Analyse der starken Wechselwirkung sehr kompliziert. | ||
== Entdeckung/Nachweis == | |||
Erste [[experiment]]elle Hinweise auf die Existenz der Gluonen gewann man 1979, als man am [[Deutsches Elektronen-Synchrotron|DESY]] mit dem | Erste [[experiment]]elle Hinweise auf die Existenz der Gluonen gewann man 1979, als man am [[Deutsches Elektronen-Synchrotron|DESY]] in [[Hamburg]] mit dem [[Teilchenbeschleuniger|Beschleuniger]] PETRA Ereignisse mit einer klaren Drei-[[Teilchenjet|Jet]]-Struktur fand.<ref>{{Literatur|Autor= John Ellis|Titel= Those were the days: discovering the gluon|Sammelwerk= CERN Courier|Band= 49|Nummer= 6|Datum= 2009|Seiten= 15–18|Sprache=en|Online= https://cds.cern.ch/record/1734399}}</ref> Den dritten Jet führte man auf die Abstrahlung eines Gluons durch eines der produzierten Quarks zurück. | ||
== Weblinks == | == Weblinks == | ||
{{Wiktionary}} | {{Wiktionary}} | ||
* [ | * [https://pdg.lbl.gov/2007/listings/g021.pdf Eintrag Gluon] (PDF-Datei; 31 kB) in der [https://pdg.lbl.gov/2007/listings/contents_listings.html Teilchenliste] der [[Particle Data Group]] (PDF-Datei; 31 kB) | ||
== Einzelnachweise == | == Einzelnachweise == | ||
Aktuelle Version vom 7. Juli 2021, 18:49 Uhr
|
Gluon (g) | |
|---|---|
| Klassifikation | |
| Elementarteilchen Boson Eichboson | |
| Eigenschaften | |
| Ladung | neutral |
| Masse | (theoretisch) 0 kg |
| SpinParität | 1− |
In der Teilchenphysik sind die Gluonen (engl. to glue = kleben) Elementarteilchen, die indirekt für die Anziehung von Protonen und Neutronen in einem Atomkern verantwortlich sind. Das Symbol für das Gluon ist $ \mathrm {g} $.
Damit bilden die Gluonen die Austauschteilchen der starken Wechselwirkung. Es gibt acht verschiedene Gluonen, die zwischen Quarks, den Bausteinen der Hadronen (Baryonen, z. B. Protonen und Neutronen, und Mesonen), ausgetauscht werden. Gluonen können aber auch direkt mit anderen Gluonen wechselwirken, so dass Teilchen existieren könnten, die nur aus Gluonen bestehen, die Glueballs.
Eigenschaften
Gluonen sind elektrisch neutral und werden innerhalb des Standardmodells als masselos angenommen, während experimentell eine Masse von einigen MeV nicht ausgeschlossen werden kann. Sie besitzen eine Farbladung, die sich immer aus einer „Farbe“ und einer „Antifarbe“ zusammensetzt. Durch diese können die verschiedenen Gluonen unterschieden werden.
Aus gruppentheoretischen Überlegungen ergeben sich die möglichen Kombinationen von Farben und Antifarben in Gluonen:
- $ 3\otimes {\bar {3}}=8\oplus 1\,. $
(In Worten: Das direkte Produkt des Farbtripletts mit dem Antifarb-Triplett ergibt die direkte Summe, bestehend aus Oktett und einem Singulett).
Das Singulett ist nicht in der Lage, die Farbe eines Quarks zu ändern, da es einen total-symmetrischen Zustand darstellt. Man kann sich diesen Sachverhalt in Analogie zu Spinzuständen vorstellen. Alle in der Natur auftretenden Gluonen tragen „Bruttofarbe“ (entspricht: der Gesamtspin ist von null verschieden). Darunter befinden sich zwei Gluonen (die beiden letzten in der folgenden Auflistung), die keine „Nettofarbe“ besitzen (entspricht: z-Komponente des Spins ist null); aber „Bruttofarbe“ besitzen auch sie. Dagegen ist das Singulett $ (r{\bar {r}}+b{\bar {b}}+g{\bar {g}})/{\sqrt {3}} $[1] echt farblos ($ {\hat {=}} $ Gesamtspin 0) so, wie ein reeller oder komplexer Zahlenfaktor, und wenn es existierte, wäre es auf Grund seiner fehlenden Farbladung nicht durch Confinement gebunden, d. h., es würde eine Komponente der starken Wechselwirkung mit unendlicher Reichweite existieren, die in der Natur jedoch nicht beobachtet wird. Aus diesem Grund ist diese Kombination nicht realisiert, und die Quantenchromodynamik wird durch die Symmetriegruppe $ SU(3)_{C} $ beschrieben.[2] Während also die $ U(3)_{C} $ insgesamt $ N^{2}=3^{2}=9 $ Generatoren hat und damit 9 Eichfelder (Gluonen) besitzen würde, erhält man für die Gruppe $ SU(N=3) $ nur $ N^{2}-1=8 $ Generatoren (die Gell-Mann-Matrizen), und es ergeben sich die üblichen acht Gluon-Wellenfunktionen:
- $ {\begin{aligned}\psi _{1}&=|r{\bar {g}}\rangle \,,\quad &\psi _{2}&=|r{\bar {b}}\rangle \,,\\\psi _{3}&=|g{\bar {r}}\rangle \,,\quad &\psi _{4}&=|g{\bar {b}}\rangle \,,\\\psi _{5}&=|b{\bar {r}}\rangle \,,\quad &\psi _{6}&=|b{\bar {g}}\rangle \,,\\\psi _{7}&={\tfrac {1}{\sqrt {2}}}\left(|r{\bar {r}}\rangle -|g{\bar {g}}\rangle \right)\,,\;&\psi _{8}&={\tfrac {1}{\sqrt {6}}}\left(|r{\bar {r}}\rangle +|g{\bar {g}}\rangle -2|b{\bar {b}}\rangle \right)\,.\end{aligned}} $
Hier bedeutet beispielsweise die 1. Kombination, dass das Gluon mit einem grünen Quark reagieren kann und dessen Farbe in Rot ändert.[3]
Die Verhältnisse sind analog zum Zweiteilchen-Spinprodukt $ \langle \psi _{i}(1)\psi _{k}(2)\rangle \,, $ mit $ \psi _{i} $ bzw. $ \psi _{k}={\mathord {\uparrow }} $ oder $ {\mathord {\downarrow }}\,, $ d. h. mit zwei Basiszuständen $ \psi ={\mathord {\uparrow }} $ bzw. $ \psi ={\mathord {\downarrow }}\,. $ Man kann daraus vier unabhängige Linearkombinationen bilden; drei davon, $ \psi _{1}={\mathord {\uparrow }}{\mathord {\uparrow }}\,,\psi _{2}=({1/{\sqrt {2}}})(\uparrow \downarrow +\downarrow \uparrow ) $ sowie $ \psi _{3}={\mathord {\downarrow }}{\mathord {\downarrow }} $, ergeben ein zusammengehöriges Triplett (Gesamtspin = Bruttospin: S=1; magnetische Quantenzahl (Nettospin) M=+1 bzw. 0 bzw. −1; eine vierte Funktion,$ ({1/{\sqrt {2}}})(\uparrow \downarrow -\downarrow \uparrow )\,, $ gehört zum Singulett-Zustand (Bruttospin=Nettospin S=0). Die Zusatzkomplikation der Gluonen ist, verglichen mit dieser Analogie, dass man N=3 anstelle von N=2 betrachtet und dass man statt des Tripletts an Basiszuständen ein Oktett hat.
Die von den Gluonen vermittelte Anziehung zwischen den Quarks – und daraus folgend zwischen Protonen und Neutronen – ist für die Stabilität der Atomkerne verantwortlich (Zusammenhalt der Protonen und Neutronen im Atomkern; die Protonen würden sich ansonsten aufgrund ihrer gleichen elektrischen Ladung abstoßen).
Die Quantenchromodynamik (QCD) ist die heute akzeptierte Theorie zur Beschreibung der starken Wechselwirkung. In ihr vermitteln Gluonen-Kräfte zwischen Teilchen, die eine Farbladung tragen. Wenn zwischen zwei Quarks ein Gluon ausgetauscht wird, ändert sich die Farbladung der beteiligten Quarks. Das Gluon trägt dazu jeweils eine Antifarbladung zur Kompensation der ursprünglichen Farbladung des Quarks sowie die neue Farbladung des Quarks. Da das Gluon selbst auch eine Farbladung trägt, kann es mit anderen Gluonen wechselwirken. Diese Selbstwechselwirkung, d. h. die Wechselwirkung der die Wechselwirkung vermittelnden Teilchen miteinander, macht die mathematische Analyse der starken Wechselwirkung sehr kompliziert.
Entdeckung/Nachweis
Erste experimentelle Hinweise auf die Existenz der Gluonen gewann man 1979, als man am DESY in Hamburg mit dem Beschleuniger PETRA Ereignisse mit einer klaren Drei-Jet-Struktur fand.[4] Den dritten Jet führte man auf die Abstrahlung eines Gluons durch eines der produzierten Quarks zurück.
Weblinks
- Eintrag Gluon (PDF-Datei; 31 kB) in der Teilchenliste der Particle Data Group (PDF-Datei; 31 kB)
