胶子,是理论上 预言 的 夸克 之间的色SU(3)对称性的规范场的量子,共八种,质量为零, 自旋 为 ,具有色 量子数 ,被认为是传递夸克之间的 强相互作用 的粒子。但直到目前为止,实验上还没发现自由胶子。
存在的证据
在1968年的 电子对 质子 的深度 非弹性散射 实验中,就观察到可能存在有胶子的迹象。实验表明,质子中有着点状的物质,然而,质子的能量,只有一半由带电的点状物质所携带,其他一半则由中性的、无电磁相互作用的组分所携带。在 夸克模型 中,这些带电的点状物质被解释作夸克,中性的组分就是胶子。在J/ψ粒子发现之后,又发现了一系列由正反c 夸克 构成的 偶素。实验上测得的粲偶素 η c(赝标粒子)和J/ψ粒子( 矢量 粒子)的寿命比,与由组成它们的正反夸克通过两个或三个胶子进行 衰变 (图1)的图像计算的结果相符。这可以作为一种间接的佐证。1981年,在高能正负电子对撞实验中发现的三喷注现象,可以解释为正反夸克(q, )及胶子(g)引起的(图2)。更为直接的证明,有待于 胶球 的发现。按目前的理论,虽然胶子有色,但由于胶子之间有相互作用,它们可以结合成“无 色”的复合态─胶球。它们的质量的量级为GeV/ c 2,其存在在实验上的证实将有助于对胶子的进一步认识。
1979年夏季,DESY的PETRA实验也观测到一个三喷注现象,被解释为正反 夸克 胶子的韧致辐射。后续的TASSO,MARK-J, 冥王星 等实验陆续证实了此观测。
另外,在1996至2007年间,H1与ZEUS 探测器 实验对 质子 中胶子的数分布和 动量 分布进行了测量。HERMES以及HERA实验研究了胶子组份对质子 自旋 的贡献。
迄今为止,实验上并没有发现自由的夸克粒子。现代的观点认为色自由度在通常情况下被禁闭起来( 夸克禁闭 ),所以自由的夸克由于携带 色荷 不能单独存在,而是受色 量子数 和味道量子数的约束从而 联会 成无色的 强子 态,这被称为夸克禁闭现象。然而,在Fermilab实验中已经显示出单一顶 夸克 产生的迹象(实际上仍然是配对产生,不过其中正反夸克具有不同的味道数)。实验上还未确证 胶球 的存在。
2000年,欧洲核子研究中心(CERN)SPS的 重离子 对撞实验声称观测到退禁闭现象,他们发现一种全新的物态,即夸克-胶子 等离子体 。由于没有像在强子中夸克胶子之间那么强的相互作用,夸克胶子等离子体非常类似于一种液体的存在。2004年至2010年,布鲁克海文国家实验室 相对论 性重离子对撞机(RHIC)的四个同时期开展的实验也宣布发现了 夸克 胶子 带电粒子 体态。2010年,欧洲核子研究中心 大型强子对撞机 的三个实验ALICE,ATLAS,CMS也宣称证实了夸克-胶子等离子体态的存在。
一般性质
在物理学中,胶子是一种负责传递强核力的 玻色子 。它们把夸克‘捆绑’在一起,使之形成 质子 、 中子 及其他 强子 。
胶子是 矢量 规范玻色子,如同 光子 ,它的电荷为0, 自旋 为1,但胶子本身带有 色荷 ,可以产生 强相互作用 。为了满足局域规范不变性,胶子的质量必须为零,所以每一种胶子与光子一样具有两种偏振态。
描述 夸克 及胶子间强相互作用的理论叫 量子色动力学 (QCD)。量子色动力学告诉我们,夸克之间发生强相互作用通过交换胶子实现,而当两个夸克交换胶子时,它们自身携带的颜色也会同时改变。因胶子本身带色荷,所以胶子除了传递强相互作用之外,胶子与胶子之间也会有强相互作用,这一点不同于传递电磁相互作用的 光子 ,光子由于不带电荷,所以光子与其自身并没有相互作用。胶子具有自相互作用这一性质使得物理学家对强核力的 数学分析 变得十分复杂和困难。
在量子色动力学中, 夸克 具有三种不同的 色荷 ,通常称为:红色、蓝色与绿色;反夸克具有三种不同的反色荷:反红色、反蓝色与反绿色。以数学上 群论 的观点看, 量子色动力学 作为一个规范理论,其对应的规范群是特殊幺正群SU(3)。夸克作为SU(3)群的基础表示引入,所以携带三种不同的色荷;而胶子则属于SU(3)群的 伴随表示 ,其维度为8,所以我们说胶子共有8种。通俗地讲,我们可以认为胶子同时具有色荷与反色荷,三种色荷与三种反色荷组合共有九种可能。
与色禁闭现象
胶子本身带有 色荷 而产生 强相互作用 。胶子间自相互作用使得色场可以形成弦状体,通常称为“通量管”( 熔剂 tube)。通量管两端连接着 夸克 。像弹簧一样,当通量管被拉长时,需要耗费能量,且随着通量管的长度增加能量成线性增长。夸克正是通过这种机制被囚禁于 强子 内部。当通量管被拉到足够长时,通量管会断裂,并在断裂处产生一对新的正反夸克,与原有的夸克 联会 分别形成强子态,这样形成的粒子仍然是无色的。
胶球
胶球是纯粹由胶子组成的强子 束缚态 。胶球在理论上之所以能存在是由于胶子之间存在 强相互作用 。要注意的是,与 介子 、重子等其他已知的强子态一样,胶球本身也不带色,即色中性。理论上有许多可能的胶球态,但都还未被实验确证。