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Gluon
Diagramme de Feynmann Gluon Radiation.svg
Diagramme 1 : Dans les diagrammes de Feynman , les gluons émis sont représentés par des hélices. Ce diagramme représente l' annihilation d'un électron et d'un positron .
Composition Particule élémentaire
Statistiques bosonique
Famille boson de jauge
Interactions Forte interaction
symbole g
Théorisé Murray Gell Mann (1962)
Découvert e + e → Υ(9.46) → 3g : 1978 à DORIS ( DESY ) par les expériences PLUTO (voir schéma 2 et souvenir)

et

e + e → q q g : 1979 à PETRA ( DESY ) par les expériences TASSO , MARK-J , JADE et PLUTO (voir schéma 1 et revue)
Les types 8
Masse 0 (valeur théorique)
<1,3 meV/ (limite expérimentale)
Charge électrique e
Frais de couleur octet (8 types linéairement indépendants )
Tournoyer 1

A gluon ( / ɡ l u ɒ n / ) est une particule élémentaire qui agit en tant que particule d'échange (ou boson de jauge ) pour la force forte entre quarks . C'est analogue à l'échange de photons dans la force électromagnétique entre deux particules chargées . Les gluons lient les quarks entre eux, formant des hadrons tels que des protons et des neutrons .

En termes techniques, les gluons sont des bosons de jauge vectorielle qui interviennent dans les interactions fortes des quarks en chromodynamique quantique (QCD). Les gluons eux-mêmes portent la charge de couleur de l'interaction forte. Ceci est différent du photon , qui médie l' interaction électromagnétique mais n'a pas de charge électrique. Les gluons participent donc à l'interaction forte en plus de la médiatiser, ce qui rend la QCD beaucoup plus difficile à analyser que l'électrodynamique quantique (QED).

Propriétés

Le gluon est un boson vecteur , ce qui signifie que, comme le photon , il a un spin de 1. Alors que les particules massives de spin-1 ont trois états de polarisation, les bosons de jauge sans masse comme le gluon n'ont que deux états de polarisation car l' invariance de jauge nécessite la polarisation pour être transversale à la direction dans laquelle se déplace le gluon. Dans la théorie quantique des champs , l'invariance de jauge ininterrompue nécessite que les bosons de jauge aient une masse nulle. Les expériences limitent la masse au repos du gluon à moins de quelques meV/ c 2 . Le gluon a une parité intrinsèque négative .

Compter les gluons

Contrairement au photon unique de QED ou aux trois bosons W et Z de l' interaction faible , il existe huit types indépendants de gluons dans QCD.

Cela peut être difficile à comprendre intuitivement. Les quarks portent trois types de charge de couleur ; les antiquarks portent trois types d'anticouleur. Les gluons peuvent être considérés comme porteurs à la fois de la couleur et de l'anticouleur. Cela donne neuf combinaisons possibles de couleur et d'anticouleur dans les gluons. Ce qui suit est une liste de ces combinaisons (et leurs noms schématiques) :

  • rouge-antirouge ( ), rouge-antivert ( ), rouge-antibleu ( )
  • vert-antirouge ( ), vert-antivert ( ), vert-antibleu ( )
  • bleu-antirouge ( ), bleu-antivert ( ), bleu-antibleu ( )
Diagramme 2 : e + e → (9.46) → 3g

Ce ne sont pas les états de couleur réels des gluons observés, mais plutôt des états effectifs . Pour bien comprendre comment ils sont combinés, il est nécessaire d'examiner plus en détail les mathématiques de la charge de couleur.

États singulet de couleur

On dit souvent que les particules stables à interaction forte (comme le proton et le neutron, c'est-à-dire les hadrons ) observées dans la nature sont "incolores", mais plus précisément elles sont dans un état "singulet de couleur", qui est mathématiquement analogue à un spin état singulet . De tels états permettent l'interaction avec d'autres maillots de couleur, mais pas avec d'autres états de couleur ; comme les interactions de gluons à longue distance n'existent pas, cela illustre que les gluons à l'état singulet n'existent pas non plus.

L'état du singulet de couleur est :

En d'autres termes, si l'on pouvait mesurer la couleur de l'état, il y aurait des probabilités égales qu'il soit rouge-antirouge, bleu-antibleu ou vert-antivert.

Huit couleurs

Il reste huit états de couleur indépendants, qui correspondent aux « huit types » ou « huit couleurs » de gluons. Étant donné que les états peuvent être mélangés comme indiqué ci-dessus, il existe de nombreuses façons de présenter ces états, qui sont connus sous le nom d'« octet de couleur ». Une liste couramment utilisée est :

      

Celles-ci sont équivalentes aux matrices de Gell-Mann . La caractéristique critique de ces huit états particuliers est qu'ils sont linéairement indépendants , et également indépendants de l'état singulet, d'où 3 2  − 1 ou 2 3 . Il n'y a aucun moyen d'ajouter une combinaison de ces états pour en produire un autre, et il est également impossible de les ajouter pour faire de r r , g g ou b b l' état singulet interdit . Il existe de nombreux autres choix possibles, mais tous sont mathématiquement équivalents, au moins également compliqués, et donnent les mêmes résultats physiques.

Détails de la théorie des groupes

Techniquement, QCD est une théorie de jauge avec une symétrie de jauge SU(3) . Les quarks sont introduits comme spineurs dans N f saveurs , chacun dans la représentation fondamentale (triplet, noté 3 ) du groupe de jauge de couleur, SU(3). Les gluons sont des vecteurs dans la représentation adjointe (octets, notés 8 ) de couleur SU(3). Pour un groupe de jauge général , le nombre de porteurs de force (comme les photons ou les gluons) est toujours égal à la dimension de la représentation adjointe. Pour le cas simple de SU( N ), la dimension de cette représentation est N 2 − 1 .

En termes de théorie des groupes, l'affirmation qu'il n'y a pas de gluons singulets de couleur est simplement l'affirmation que la chromodynamique quantique a une symétrie SU(3) plutôt qu'U(3) . Il n'y a aucune raison connue a priori pour qu'un groupe soit préféré à l'autre, mais comme discuté ci-dessus, les preuves expérimentales soutiennent SU(3). Si le groupe était U(3), le neuvième gluon (singulet incolore) se comporterait comme un « deuxième photon » et non comme les huit autres gluons.

Confinement

Puisque les gluons eux-mêmes portent une charge de couleur, ils participent à des interactions fortes. Ces interactions gluon-gluon contraignent les champs de couleur à des objets ressemblant à des cordes appelés " tubes de flux ", qui exercent une force constante lorsqu'ils sont étirés. En raison de cette force, les quarks sont confinés dans des particules composites appelées hadrons . Cela limite effectivement la portée de l'interaction forte à1 × 10 −15 mètres, à peu près la taille d'un noyau atomique . Au-delà d'une certaine distance, l'énergie du tube de flux liant deux quarks augmente linéairement. A une distance suffisamment grande, il devient énergétiquement plus favorable de tirer une paire quark-antiquark hors du vide plutôt que d'augmenter la longueur du tube de flux.

Les gluons partagent également cette propriété d'être confinés dans des hadrons. Une conséquence est que les gluons ne sont pas directement impliqués dans les forces nucléaires entre hadrons. Les médiateurs de force de ces derniers sont d'autres hadrons appelés mésons .

Bien que dans la phase normale de la CDQ, les gluons uniques ne puissent pas voyager librement, il est prédit qu'il existe des hadrons entièrement formés de gluons, appelés boules de colle . Il existe également des conjectures sur d'autres hadrons exotiques dans lesquels les gluons réels (par opposition aux virtuels trouvés dans les hadrons ordinaires) seraient les principaux constituants. Au-delà de la phase normale de la CDQ (à des températures et pressions extrêmes), un plasma quark-gluon se forme. Dans un tel plasma, il n'y a pas de hadrons ; les quarks et les gluons deviennent des particules libres.

Observations expérimentales

Les quarks et les gluons (colorés) se manifestent en se fragmentant en davantage de quarks et de gluons, qui à leur tour se hadronisent en particules normales (incolores), corrélées en jets. Comme révélé lors des conférences d'été de 1978, le détecteur PLUTO du collisionneur électron-positon DORIS ( DESY ) a produit la première preuve que les désintégrations hadroniques de la résonance très étroite (9.46) pouvaient être interprétées comme des topologies d' événements à trois jets produites par trois gluons. . Plus tard, des analyses publiées par la même expérience ont confirmé cette interprétation ainsi que la nature spin = 1 du gluon (voir aussi les expériences de souvenir et PLUTO ).

À l'été 1979, à des énergies plus élevées au collisionneur électron-positon PETRA (DESY), à nouveau des topologies à trois jets ont été observées, maintenant interprétées comme q q gluon bremsstrahlung , maintenant clairement visible, par les expériences TASSO , MARK-J et PLUTO (plus tard dans 1980 aussi par JADE ). La propriété spin = 1 du gluon a été confirmée en 1980 par les expériences TASSO et PLUTO (voir aussi la revue). En 1991, une expérience ultérieure à l' anneau de stockage LEP du CERN a de nouveau confirmé ce résultat.

Les gluons jouent un rôle important dans les interactions fortes élémentaires entre quarks et gluons, décrites par QCD et étudiées notamment au collisionneur électron-proton HERA à DESY. Le nombre et la distribution de quantité de mouvement des gluons dans le proton (densité de gluons) ont été mesurés par deux expériences, H1 et ZEUS , dans les années 1996-2007. La contribution des gluons au spin du proton a été étudiée par l' expérience HERMES à HERA. La densité de gluons dans le proton (lorsqu'il se comporte de manière hadronique) a également été mesurée.

Le confinement des couleurs est vérifié par l'échec des recherches de quarks libres (recherches de charges fractionnaires). Les quarks sont normalement produits par paires (quark + antiquark) pour compenser les nombres quantiques de couleur et de saveur ; cependant, au Fermilab, une production unique de quarks top a été démontrée. Aucune boule de colle n'a été démontrée.

Le déconfinement a été revendiqué en 2000 au SPS du CERN dans les collisions d'ions lourds , et il implique un nouvel état de la matière : le plasma quark-gluon , moins interactif que dans le noyau , presque comme dans un liquide. Il a été trouvé au collisionneur d'ions lourds relativistes (RHIC) à Brookhaven dans les années 2004-2010 par quatre expériences contemporaines. Un état de plasma quark-gluon a été confirmé au CERN Large Hadron Collider (LHC) par les trois expériences ALICE , ATLAS et CMS en 2010.

Jefferson Lab de Installation d' accélérateur de faisceaux d' électrons en continu , à Newport Nouvelles, en Virginie , est l' un des 10  Département de l' énergie des installations qui font des recherches sur les gluons. Le laboratoire de Virginie était en concurrence avec une autre installation – le Brookhaven National Laboratory , à Long Island, New York – pour obtenir des fonds afin de construire un nouveau collisionneur électron-ion . En décembre 2019, le département américain de l'Énergie a sélectionné le Brookhaven National Laboratory pour héberger le collisionneur électron-ion .

Voir également

Notes de bas de page

Les références

Lectures complémentaires