Glueball - Glueball

Standardní model z částicová fyzika
Standardní model elementárních částic.svg

v částicová fyzika, a lepicí koule (taky gluonium, gluonová koule) je hypotetický kompozit částice.[1] Skládá se pouze z gluon částice, bez valence kvarky. Takový stav je možný, protože gluony nesou barevný náboj a zažít silná interakce mezi sebou. Glueballs je extrémně obtížné identifikovat urychlovače částic, protože oni směs s obyčejným mezon státy.[2]

Teoretické výpočty ukazují, že lepicí koule by měly existovat v energetických rozsazích přístupných proudu urychlovač technologie. Kvůli výše uvedeným obtížím (mimo jiné) však dosud nebyly pozorovány a identifikovány s jistotou,[3] ačkoli fenomenologické výpočty naznačují, že experimentálně identifikovaný kandidát na lepidlo, označen , má vlastnosti shodné s těmi, které se očekávají od a Standardní model lepicí koule.[4]

Předpověď, že lepicí koule existují, je jednou z nejdůležitějších předpovědí standardního modelu částicové fyziky, která dosud nebyla experimentálně potvrzena.[5] Glueballs jsou jediné částice předpovídané standardním modelem s celkovou momentem hybnosti (J) (někdy nazývané „vnitřní rotace“), které mohou být ve svých základních stavech buď 2 nebo 3.

Vlastnosti

V zásadě je teoreticky možné, aby všechny vlastnosti lepicích koulí byly přesně vypočítány a odvozeny přímo z rovnic a základních fyzikálních konstant kvantová chromodynamika (QCD) bez dalších experimentálních vstupů. Předvídané vlastnosti těchto hypotetických částic lze tedy popsat s vynikajícími podrobnostmi pouze pomocí fyziky standardního modelu, která má v teoretické literatuře fyziky široké přijetí. V měření některých příslušných klíčových fyzikálních konstant však existuje značná nejistota a výpočty QCD jsou tak obtížné, že řešení těchto rovnic jsou téměř vždy numerická aproximace (dosažená několika velmi odlišnými metodikami). To může vést k odchylkám v teoretických předpovědích vlastností lepicí koule, jako je hmotnostní a rozvětvovací poměr v rozpadech lepicí koule.

Jednotlivé částice a barevný náboj

Teoretické studie lepicích koulí se zaměřily na lepicí koule skládající se buď ze dvou gluonů nebo tří gluonů, analogicky k mezony a baryony které mají dva a tři kvarky resp. Stejně jako v případě mezonů a baryonů by to byly kuličky lepidla QCD barevný náboj neutrální. The baryonové číslo lepicí koule je nula.

Celková moment hybnosti

Mohou mít dvě gluonové lepicí koule celková moment hybnosti (J) 0 (což jsou skalární nebo pseudo-skalární ) nebo 2 (tenzor ). Tři gluonové kuličky mohou mít celkovou moment hybnosti (J) 1 (vektorový boson ) nebo 3. Všechny lepicí koule mají celé číslo celkového momentu hybnosti, což znamená, že jsou bosony spíše než fermiony.

Glueballs jsou jediné částice, které předpovídá Standardní model s celkovým momentem hybnosti (J) (někdy nazývaný „vnitřní rotace "), které by mohly být ve svých základních stavech buď 2 nebo 3, ačkoli byly pozorovány mezony složené ze dvou kvarků s J = 0 a J = 1 s podobnou hmotností a excitované stavy jiných mezonů mohou mít tyto hodnoty celkového momentu hybnosti.

Elektrický náboj

Všechny lepicí koule by měly elektrický náboj nula, protože samotné gluony nemají elektrický náboj.

Mše a parita

Glueballs jsou podle kvantové chromodynamiky předpovídány jako masivní, a to navzdory skutečnosti, že samotné gluony mají ve standardním modelu nulovou klidovou hmotnost. Glueballs se všemi čtyřmi možnými kombinacemi kvantových čísel P (parita ) a C (Parita C. ) pro každou možnou celkovou moment hybnosti byly vzaty v úvahu, produkující alespoň patnáct možných stavů lepidla, včetně vzrušených stavů lepidla, které sdílejí stejná kvantová čísla, ale mají různé hmotnosti s nejlehčími stavy s hmotami tak nízkými jako 1,4 GeV / c2 (pro lepicí kouli s kvantovými čísly J = 0, P = +, C = +) a nejtěžší státy s hmotností až 5 GeV / c2 (pro lepicí kouli s kvantovými čísly J = 0, P = +, C = -).[3]

Tyto hmotnosti jsou na stejném řádu jako hmotnosti mnoha experimentálně pozorovaných mezony a baryony, stejně jako masy tau lepton, kouzelný kvark, spodní tvaroh, někteří vodík izotopy a některé hélium izotopy.

Kanály stability a rozpadu

Stejně jako všechny mezony a baryony standardního modelu, s výjimkou protonu, jsou nestabilní izolovaně, jsou všechny lepicí koule standardním modelem předpovídány jako nestabilní izolovaně s různými QCD výpočty předpovídající celkovou šířku rozpadu (která funkčně souvisí s poločasem rozpadu) pro různé stavy lepidla. Výpočty QCD také vytvářejí předpovědi týkající se očekávaných vzorců rozpadu lepicích koulí.[6][7] Například lepicí koule by neměly radiační nebo dva fotonové rozpady, ale měly by se rozpadat na páry piony, páry kaons nebo páry eta mezonů.[6]

Praktický dopad na makroskopickou fyziku nízkých energií

Feynmanův diagram lepicí koule (G) rozpadající se na dva piony (
π
). Takové rozpady pomáhají studovat a hledat lepicí koule.[8]

Protože lepicí koule standardního modelu jsou tak pomíjivé (rozpadají se téměř okamžitě na stabilnější produkty rozpadu) a jsou generovány pouze ve fyzice vysokých energií, lepicí koule vznikají pouze synteticky v přírodních podmínkách na Zemi, které lidé mohou snadno pozorovat. Jsou vědecky pozoruhodné hlavně proto, že jsou testovatelnou predikcí standardního modelu, a ne kvůli fenomenologickému dopadu na makroskopické procesy nebo jejich inženýrství aplikace.

Příhradové QCD simulace

Lattice QCD poskytuje způsob, jak teoreticky a od prvních principů studovat spektrum lepidla. Některé z prvních veličin vypočítané pomocí mřížky QCD metody (v roce 1980) byly odhady hmotnosti lepicí koule.[9] Morningstar a Peardon[10] vypočítal v roce 1999 hmotnosti nejlehčích lepicích koulí v QCD bez dynamických kvarků. Níže jsou uvedeny tři nejnižší stavy. Přítomnost dynamických kvarků by tato data mírně pozměnila, ale také ztěžuje výpočty. Vzhledem k tomu, že časové výpočty v rámci QCD (mřížková a součtová pravidla) považují nejlehčí lepicí kouli za skalární s hmotou v rozmezí asi 1000–1700 MeV.[3]

J P 'CHmotnost
0++1730 ±80 MeV
2++2 400 ± 120 MeV
0−+2590 ± 130 MeV

Experimentální kandidáti

Experimenty s urychlovačem částic jsou často schopny identifikovat nestabilní složené částice a přiřadit těmto částem hmoty s přesností přibližně 10 MeV / c2, aniž by bylo možné okamžitě přiřadit rezonanci částic, která je pozorována, všechny vlastnosti této částice. Byla zjištěna skóre takových částic, i když částice detekované v některých experimentech, ale ne v jiných, lze považovat za pochybné. Některé z kandidátských rezonancí částic, které by mohly být lepidlovými koulemi, i když důkazy nejsou definitivní, zahrnují následující:

Kandidáti na vektor, pseudo-vektor nebo tenzor

  • X (3020) pozorováno BaBar spolupráce je kandidátem na vzrušený stav 2− +, 1 + - nebo 1−− lepkavých států s hmotností asi 3,02 GeV / c2.[5]

Skalární kandidáti

  • F0(500), také známý jako σ - vlastnosti této částice jsou pravděpodobně konzistentní s hromadným lepidlem 1000 MeV nebo 1500 MeV.[3]
  • F0(980) - struktura této složené částice je v souladu s existencí lehké lepicí koule.[3]
  • F0(1370) - existence této rezonance je sporná, ale je kandidátem na směšovací stav lepidlo-mezon[3]
  • F0(1500) - existence této rezonance je nesporná, ale její status jako stavu míchání lepidla a mezonu nebo čistého lepidla není dobře zaveden.[3]
  • F0(1710) - existence této rezonance je nesporná, ale její status jako stavu míchání lepidla a mezonu nebo čistého lepidla není dobře zaveden.[3]

Ostatní kandidáti

  • Gluon tryská na LEP experiment ukazuje 40% překročení teoretických očekávání elektromagneticky neutrálních klastrů, což naznačuje, že pravděpodobně budou přítomny elektromagneticky neutrální částice očekávané v prostředích bohatých na gluon, jako jsou lepicí koule.[3]

Mnoho z těchto kandidátů bylo předmětem aktivního vyšetřování po dobu nejméně osmnácti let.[6] The GlueX experiment byl speciálně navržen tak, aby poskytoval definitivnější experimentální důkazy o lepicích koulích.[11]

Viz také

Reference

  1. ^ Frank Close a Phillip R. Page, „Glueballs“, Scientific American, sv. 279 č. 5 (listopad 1998), str. 80–85
  2. ^ Vincent Mathieu; Nikolai Kochelev; Vicente Vento (2009). "Fyzika lepicích koulí". International Journal of Modern Physics E. 18 (1): 1–49. arXiv:0810.4453. Bibcode:2009IJMPE..18 .... 1M. doi:10.1142 / S0218301309012124. S2CID  119229404.Glueball na arxiv.org
  3. ^ A b C d E F G h i Wolfgang Ochs (2013). Msgstr "Stav lepicích koulí". Journal of Physics G. 40 (4): 043001. arXiv:1301.5183. Bibcode:2013JPhG ... 40d3001O. doi:10.1088/0954-3899/40/4/043001. S2CID  73696704.
  4. ^ Frederic Brünner; Anton Rebhan (2015-09-21). "Nonchiral Enhancement of Scalar Glueball Decay in the Witten-Sakai-Sugimoto Model". Phys. Rev. Lett. 115 (13): 131601. arXiv:1504.05815. Bibcode:2015PhRvL.115m1601B. doi:10.1103 / PhysRevLett.115.131601. PMID  26451541. S2CID  14043746.
  5. ^ A b Hsiao, Y.K .; Geng, C.Q. (2013). Msgstr "Identifikace lepicí koule při 3,02 GeV v baryonických rozpadech B". Fyzikální písmena B. 727 (1–3): 168–171. arXiv:1302.3331. Bibcode:2013PhLB..727..168H. doi:10.1016 / j.physletb.2013.10.008. S2CID  119235634.
  6. ^ A b C Walter Taki, „Hledání lepidel“ (1996) http://www.slac.stanford.edu/cgi-wrap/getdoc/ssi96-006.pdf
  7. ^ Eshraim, Walaa I .; Janowski, Stanislaus (2013). "Rozvětvovací poměry pseudoskalárního lepidla s hmotností 2,6 GeV". arXiv:1301.3345. Citovat deník vyžaduje | deník = (Pomoc)
  8. ^ T. Cohen; F. J. Llanes-Estrada; J. R. Pelaez; J. Ruiz de Elvira (2014). "Neobvyklé mezonové spojky světla a expanze 1 / Nc". Fyzický přehled D. 90 (3): 036003. arXiv:1405.4831. Bibcode:2014PhRvD..90c6003C. doi:10.1103 / PhysRevD.90.036003. S2CID  53313057.
  9. ^ B. Berg. Korelace plaketa-plaketa v teorii mřížky měřidla su (2). Phys. Lett., B97: 401, 1980.
  10. ^ Colin J. Morningstar; Mike Peardon (1999). "Glueball spektrum z anizotropní mřížkové studie". Fyzický přehled D. 60 (3): 034509. arXiv:hep-lat / 9901004. Bibcode:1999PhRvD..60c4509M. doi:10.1103 / PhysRevD.60.034509. S2CID  18787544.
  11. ^ "Fyzika GlueX".