Lähdekoodi sivulle Gluoni

{{Hiukkanen
| bgcolour =
| nimi = Gluoni
| kuva =
| rakenne = [[Alkeishiukkanen]]
| perhe = [[Bosoni]]
| ryhmä = [[Mittabosoni]]
| sukupolvi =
| vuorovaikutus = [[Vahva vuorovaikutus]]
| hiukkanen =
| antihiukkanen = 
| status =
| löydetty teoreettisesti = 1962
| löydetty = [[DESY]] 1979
| symboli = g
| massa = 0 MeV/c<sup>2</sup>
| elinikä =
| hajoaa hiukkaseksi =
| sähkövaraus = 0 e
| värivaraus = Oktetti, 8 eri väriä
| spin = 1
| spintilojen lukumäärä =
}}
'''Gluoni''' on [[mittabosoni|mittabosoneihin]] kuuluva [[alkeishiukkanen]], joka välittää [[vahva vuorovaikutus|vahvaa voimaa]] eli värivoimaa. Se pitää [[kvarkki|kvarkit]] kiinni toisissaan, jolloin näistä voi muodostua protoneita, neutroneita ja muita [[hadroni|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.<ref>{{Kirjaviite | Tekijä = Eberhard Zeidler| Nimeke =Quantum field theory| Kappale = | Sivu = 135| Selite = | Julkaisija = | Vuosi = 2006| Tunniste = | Isbn = 9783540347620 | www = | www-teksti = | Viitattu = 21.1.2011| Kieli = {{en}}}}</ref>

==Ominaisuudet==
Gluoneja on kahdeksaa eri tyyppiä ja niillä on myös itsellään [[värivaraus]] eli ne tuntevat vahvan vuorovaikutuksen.<ref>{{Kirjaviite | Tekijä = David Griffths| Nimeke = Introduction To Elementary Particles| Kappale = 1.11: The Standard Model| Sivu = | Selite = |Julkaisupaikka = | Julkaisija = Wiley| Vuosi = 1987| Tunniste = | Isbn = 0-471-60386-4 | Viitattu = | Kieli = {{en}}}}</ref> Tämän takia vahva vuorovaikutus on voimakkaampi suuremmalla etäisyydellä.

Gluonien kvarkkeja sitova vaikutus lakkaa, jos [[hadroni]]t saatetaan tarpeeksi kuumaan ja suuripaineisiin olosuhteisiin törmäyttämällä niitä suurilla energioilla. Tällöin hadronit ikään kuin sulavat vapaiksi kvarkeiksi ja gluoneiksi, [[kvarkki-gluoniplasma]]ksi.

== Gluonien värivaraukset ==

Toisin kuin [[fotoni|fotoneja]], joita on vain yhtä lajia, on [[kvanttikromodynamiikka|kvanttikromodynamiikan]] mukaan olemassa kahdeksaa tyyppiä gluoneja, joilla on erilainen värivaraus.

Asia ei ole aivan helppo käsittää. Kvarkeilla on kolme erilaista värivarausta ja [[antikvarkki|antikvarkeilla]] näiden antivärit. Gluoneilla voidaan ajatella olevan sekä väri että antiväri, mutta tämän selventämiseksi on tarkasteltava värivarausten matematiikkaa yksityiskohtaisemmin.

=== Värivaraus ja superpositio ===

[[Kvanttimekaniikka|Kvanttimekaniikassa]] hiukkasten tiloja voidaan laskea yhteen [[superpositio]]periaatteen 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:

:<math>(r\bar{b}+b\bar{r})/\sqrt{2}</math>

Tämä luetaan "punainen-antisininen plus sininen-antipunainen". Tässä ''r'' merkitsee "punaista" ({{k-en|red}}) ja ''b'' "sinistä" ({{k-en|blue}}) värivarausta; kvarkkien kolmas värivaraus on "vihreä", ''g'' ({{k-en|green}}). Tekijä <math>\sqrt{2}</math> on mukana [[aaltofunktio]]n 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 [[hadroni]]en kuten [[protoni]]en ja [[neutroni]]en sanotaan usein olevan "värittömiä", mutta täsmällisemmin sanottuna ne ovat "värisinglettitilassa", joka on matemaattisesti analoginen [[spin]]in singlettitilalle.<ref>D.J. Griffiths (1987), pp. 280–281</ref> Tällainen tila sallii niiden vuorovaikuttaa toisten värisinglettien, mutta ei muiden [[Väritila|väritilojen]] kautta: koska gluonien välittämiä pitkän kantaman vuorovaikutuksia ei ole, tämä osoittaa, ettei ole myöskään singlettitilassa olevia gluoneja.<ref>D.J. Griffiths (1987), p. 281</ref>

Tämä singlettitila voidaan esittää muodossa:<ref name="Griffiths, 280">D.J. Griffiths (1987), p. 280</ref>

:<math>(r\bar{r}+b\bar{b}+g\bar{g})/\sqrt{3}</math>

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:<ref name="Griffiths, 280"/>

{|align=center
|<math>(r\bar{b}+b\bar{r})/\sqrt{2}</math>
|&nbsp;&nbsp;&nbsp;
|<math>-i(r\bar{b}-b\bar{r})/\sqrt{2}</math>
|-
|<math>(r\bar{g}+g\bar{r})/\sqrt{2}</math>
|
|<math>-i(r\bar{g}-g\bar{r})/\sqrt{2}</math>
|-
|<math>(b\bar{g}+g\bar{b})/\sqrt{2}</math>
|
|<math>-i(b\bar{g}-g\bar{b})/\sqrt{2}</math>
|-
|<math>(r\bar{r}-b\bar{b})/\sqrt{2}</math>
|
|<math>(r\bar{r}+b\bar{b}-2g\bar{g})/\sqrt{6}</math>
|}

Nämä ovat yhtäpitäviä [[Gell-Mannin matriisi]]en 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 [[lineaarinen riippumattomuus|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 <math>r\bar{r}</math>, <math>g\bar{g}</math> tai <math>b\bar{b}</math>,<ref>
{{cite journal
 |author=J. Baez
 |url=http://math.ucr.edu/home/baez/physics/ParticleAndNuclear/gluons.html
 |title=Why are there eight gluons and not nine?
 |accessdate=2011-05-07
}}</ref> 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 [[spinori|spinoreina]], joiden triplettitila muodostaa mittaryhmän SU(3) fundamentaalin esityksen. Gluonit taas ovat vektorikenttiä [[Lien ryhmä]]nsä 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 {{nowrap|''N''<sup>2</sup> &minus; 1}}.

Ryhmäteorian termein toteamus, että gluoni ei esiinny singlettitilassa, johtuu suoraan siitä, että kvanttikromodynamiikan symmetriaryhmä on SU(3) eikä U(3). Ei ole mitään [[a priori|apriorista]] syytä, jonka vuoksi näin olisi välttämättä oletettava, mutta havainnot tukevat käsitystä, jonka mukaan symmetriaryhmä on SU(3).<ref>D.J. Griffits: Particles & Fields, Scientific American 1980, s. 281</ref>

== 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 [[hadroni|hadroneihin]]. Samasta syystä vahva vuorovaikutus ei ilmene suuremmilla kuin 10<sup>-15</sup> metrin etäisyyksillä, mikä suunnilleen vastaa [[atomiydin|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-[[parinmuodostus|parin]] muodostamiseen kuin virtausputken pidentämiseen.

Samaan tapaan myös gluonit pysyvät vangittuina hadronien sisään. Tästä seuraa myös, että gluonit eivät suoraan vaikuta ytimessä olevien [[protoni]]en ja [[neutroni]]en välisiin voimiin, vaan niitä välittävät [[mesoni]]t.

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 [[eksoottiset hadronit|eksoottisia hadroneja]], joissa gluonit olisivat pääkomponentteina. Ääriolosuhteissa kuten hyvin korkeassa lämpötilassa ja paineessa saattaa muodostua [[kvarkki-gluoniplasma]]a. Sellaisessa plasmassa ei ole hadroneja, vaan kvarkit ja gluonit esiintyvät vapaina hiukkasina.

== Kokeelliset havainnot ==

Ensimmäiset suorat havainnot gluoneista saatiin vuonna 1979, kun [[DESY#PETRA|PETRA]]:ssa tehtiin elektronien ja positronien törmäyskokeita.<!--ja havaittiin ''three-jet event'', mitä se on suomeksi?--> Vähän aikaisemmin oli kuitenkin [[DESY]]:n [[DESY#DORIS|DORIS-III]]:ssa havaittu ilmiö, joka viittasi kolmen gluonin hajoamiseen.
<ref name="25y">{{cite web
 |author=I. Flegel, P. Söding
 |year=2004
 |title=Twenty-Five Years of Gluons
 |url=http://cerncourier.com/cws/article/cern/29201
 |work=Cern Courrier
 |accessdate=2011-05-07
 |arkistoitu=2011-10-06
 |arkisto=https://web.archive.org/web/20111006233054/http://cerncourier.com/cws/article/cern/29201
 }}</ref>
<ref>{{cite web
 |author=H.J. Meyer, B. Stella
 |title=PLUTO experiments at DORIS and PETRA and the discoveryof the gluon
 |url=http://www.roma3.infn.it/~stella/PLUTO.gluon/
 |accessdate=2011-05-07
 |arkisto=https://web.archive.org/web/20110722035450/http://www.roma3.infn.it/~stella/PLUTO.gluon/
 |arkistoitu=2011-07-22
 }}</ref>

Kokeellisesti kvarkkien vankeuden osoittaa se, että yritykset vapaiden kvarkkien löytämiseksi eivät ole onnistuneet. Vapaita gluoneja ei ole koskaan havaittu; kuitenkin [[Fermilab]]issa on tilastollisesti osoitettu top-kvarkkien muodostuminen.<ref>{{cite web
 |author=M. Chalmers
 |date=6.3.2009
 |title=Top result for Tevatron
 |publisher = Physics World
 |url=http://physicsworld.com/cws/article/news/38140
 |accessdate=2011-07-05
 |arkisto=https://web.archive.org/web/20120209092824/http://physicsworld.com/cws/article/news/38140
 |arkistoitu=9.2.2012
 }}</ref>
Vaikka on saatu viitteitä eksoottisista hadroneista, glueballeja ei myöskään ole havaittu. Kvarkki-gluoniplasma on äskettäin havaittu [[Brookhaven National Laboratory]]n (BNL) [[Relativistic Heavy Ion Collider]]issa (RHIC).<ref>{{cite web
 |author=D. Overbye
 |date=15.2.2010
 |title=In Brookhaven Collider, Scientists Briefly Break a Law of Nature
 |publisher=New York Times
 |url=http://www.nytimes.com/2010/02/16/science/16quark.html
 |accessdate=2011-05-07}}</ref>

==Lähteet==
{{Viitteet}}

==Aiheesta muualla==
{{commonscat}}
* [http://pdg.lbl.gov/ Particle Data Group]
* [http://hyperphysics.phy-astr.gsu.edu/hbase/particles/expar.html HyperPhysics]

{{Hiukkaset}}

[[Luokka:Mittabosonit]]
[[Luokka:Seulonnan keskeiset artikkelit]]