Gluon

Gluonlar (İngilizce glue=tutkal, bağlayıcı tutucu anlamı olan) kuarklar arasındaki güçlü etkileşimi sağlayan temel parçacıklardır. Bu etkileşim fotonların elektromanyetik etkileşmedeki rolüne benzer bir şekilde iki yüklü parçacık arasında momentum değişimini sağladığı düşüncesi ile benzerlik kurularak anlaşılabilir.

Kuarklar baryonları ve mezonları oluşturduğu için, güçlü etkileşim baryonlar ve mezonlar içerisinde ve arasında gözlemlenir. Protonların ve nötronların atom çekirdeğinde bir arada bulunmalarını sağlayan da güçlü etkileşimdir.

Teknik olarak düşünüldüğünde, gluonlar vektör ayar bozonudurlar ve güçlü etkileşimde aracılık ederler. Elektromanyetik etkileşmede fotonun rolünden farklı olarak gluonlar renkyükü de taşırlar ve sadece aracılık etmekle de kalmazlar aynı zamanda güçlü etkileşime de katılırlar. Bu katılım da güçlü etkileşimi düşünerek hesap yapmayı elektromanyetik etkileşimin hesaplarına kıyasla oldukça zor bir hale sokar.

Gluon bir vektör bozondur ve foton gibi spini 1'dir. Kütleli spin-1 parçacıkların 3 tane kutuplaşma durumları olmasına karşın, gluon gibi kütlesiz vektör bozonları iki tane kutuplaşma durumuna sahiptir. Bunun sebebi ayar değişmezliğinin enine kutuplaşmayı gerektirmesidir. Bu kural kütlesiz parçacıkların ışık hızında hareket etmesi ile ilgilidir ve ışık hızında hareket eden parçacıklar için kutuplaşma ancak hareket yönüne dik yani enine olabilir. Kuantum alanlar kuramında vektör bozonlarda ayar değişmezliğinin kırılmayışı vektör bozonların kütlesiz olması koşulunu getirir. (Yapılan deneyler gluonun kütlesinin birkaç MeV/c2 den daha az oması gerektiğini gösteriyor.) Uzay koordinatları eksi değerleri ile değiştirildiğinde (parite) gluonların eksi denklik işlemcisi sayısına sahip oldukları ortaya çıkar.

Kuantum elektrodinamiğinin tek kuvvet değişim parçacığı fotondan veya zayıf etkileşimin üç vektör bozonu ${\displaystyle W^{+-}}$ ve ${\displaystyle Z}$'dan farklı olarak kuantum renkdinamiğinde 8 bağımsız gluon vardır.

Bu durumun sezgisel olarak kavranması zordur. Kuarklar üç farklı renkyükü taşırlar ve antikuarklar 3 farklı antirenkyükü taşırlar. Kuarkların bu özelliklerinden farklı olarak gluonlar hem renkyükünü hem de antirenkyükünü birlikte taşırlar. Bu birlikte taşıma durumunun daha iyi anlaşılabilmesi için renkyükünün matametiksel analizinin çalışılması gereklidir.

Kuantum mekaniğinde parçacıkların durumları süperpozisyon ilkesine göre toplanabilir. Süperpozisyon ilkesine göre durumların toplanması parçacığın farklı yerlerde ve enerjilerde olması durumunun olasılıksal bir şekilde toplanması olarak ifade edilebilir. Bu ilkeye göre yazılan parçacığın durum fonksiyonları üzerinden hesaplama yapılabilir ve olasılıksal olarak değişik sonuçlar elde edilebilir. Bu durum bir gluonun ayrı renkyükü durumlarına karşılık gelen aşağıdaki örnekle gösterilebilir.

${\displaystyle (r{\bar {b}}+b{\bar {r}})/{\sqrt {2}}}$

Bu örnek gluonun kırmızı-antimavi ve mavi-antikırmızı durumunu ifade etmektedir. Bu ifadede ki karekök iki toplam olasılığın bir olması için yerleştirilmiştir. Eğer bu ifadeyle belirtilen gluonun durumu ölçümlenirse 50% olasılıkla kırmızı-antimavi, 50% olasılıkla da mavi-antikırmızı durumu ölçümlenecektir.

Güçlü etkileşime tabi olan parçacıkların kararlı olmaları için renkyüküne sahip olmamaları gerektiği düşünülmektedir. Fakat bu durum aslında renkyükünün tekil durumudur. Bunun benzeri bir olay spinin tekil durumudur. Spinin tekil durumu düşünülerek renkyükünün tekil durumu daha iyi anlaşılabilir.

Renkyüksüz durumları diğer renkyüksüz durumlarla etkileşebilir ama renkyüklü durumlarla etkileşemez. Bunun yanı sıra uzun mesafeli gluon etkileşimleri bulunmamaktadır. Uzun mesafeli gluon etkileşimlerinin bulunmaması da renkyükünün tekil durumunun gluonlarda olmamasıyla sonuçlanır. Renkyükü düşünüldüğünde bu tekil durumun olması gerektiği hesaplamalardan çıkan bir sonuçtur ama uzun mesafeli gluon etkileşimlerinin bulunmaması gluonların tekil durumunun gözlemlenememesi olarak nitelendirilmiştir ve renkyükünün tekil durumu gluon için yasak durum olarak nitelendirilir.

Renkyükünün tekil durumu:

${\displaystyle (r{\bar {r}}+b{\bar {b}}+g{\bar {g}})/{\sqrt {3}}}$

Bu gösterimle belirtilen durum ölçümlendiğinde her biri 1/3 olasılığa sahip olmak üzere kırmızı-antikırmızı, mavi-antimavi veya yeşil-antiyeşil durumları gözlemlenebilir.

Gluon düşünüldüğünde renkyükünün hesaplamalardan elde edilen tekil durum dışında sekiz farklı durumu daha bulunur. Bu sekiz durumun değişik ifadeleri bulunmaktadır. Bunların en yaygın kullanılanlarından biri:

${\displaystyle (r{\bar {b}}+b{\bar {r}})/{\sqrt {2}}}$		${\displaystyle -i(r{\bar {b}}-b{\bar {r}})/{\sqrt {2}}}$
${\displaystyle (r{\bar {g}}+g{\bar {r}})/{\sqrt {2}}}$		${\displaystyle -i(r{\bar {g}}-g{\bar {r}})/{\sqrt {2}}}$
${\displaystyle (b{\bar {g}}+g{\bar {b}})/{\sqrt {2}}}$		${\displaystyle -i(b{\bar {g}}-g{\bar {b}})/{\sqrt {2}}}$
${\displaystyle (r{\bar {r}}-b{\bar {b}})/{\sqrt {2}}}$		${\displaystyle (r{\bar {r}}+b{\bar {b}}-2g{\bar {g}})/{\sqrt {6}}}$

Bu gösterim Gell-Mann dizeyine denktir. Her bir gösterim değişik bir etkileşimi tanımlamaktadır. Bu gösterimin önemli özelliklerinden biri her bir durumun tekil durumda dahil olmak üzere diğer sekiz durumdan doğrusal olarak bağımsız olmasıdır. Başka bir deyişle bu dokuz durumdan herhangi biri diğerlerinin toplamı veya çıkarımı ile elde edilemez.

Teknik olarak kuantum renkdinamiği SU(3) ayar simetrisine sahip bir ayar kuramıdır. Kuarklar renkyükü ayar grubunun, SU(3), temel gösterimleri (üçül) ile tanımlanırlar ve spinörlerle gösterilirler. Gluonlar bitişik gösterime (sekizil) ait olan vektör alanlarla gösterilirler. Genel bir ayar grubu için kuvvet taşıyıcı parçacıkların sayısı bitişik gösterimin boyutuna eşittir. N boyutlu SU(N) grubu için bitişik gösterimin boyutu N² − 1 dir.

Grup kuramında gluon için renkyüksüz tekil durumun bulunmaması kuantum renkdinamiğinin U(3) grubu ile değil de SU(3) grubu ile tanımlanması ile açıklanır. Kuantum renkdinamiği için SU(3) grubunun seçilmesinin nedeni deneysel olarak uzun mesafeli gluon etkileşimlerinin gözlemlenmemesidir.

Gluonlar renkyükü taşıdıkları için güçlü etkileşime katılırlar. Gluon-gluon arasındaki etkileşimler renkyükü alanlarının sicim benzeri akı tüpü (flux tube) olarak adlandırılan yapıları zorunlu kılarlar. Bu yapı uzaklığa bağlı olmayan sabit bir kuvvetin etkileşen parçacıklar arasında gözlemlenmesi ile sonuçlanır. Bu kuvvet de kuarkların güçlü etkileşime bağımlı hadron denilen bileşik parçacıkların içinde hapis olmasına neden olur. Bu güçlü etkileşimi yaklaşık olarak 10^-15 metre uzaklığında kısıtlar. Bu uzaklık da ortalama bir atom çekirdeği kadardır. Belirli bir uzaklıktan sonra iki kuarkın arasındaki akı tüpünün enerjisi doğrusal olarak artar. Bu doğrusal olarak artış da belirli bir uzaklıktan sonra enerjinin ulaştığı değerin büyüklüğü o enerjinin uzaklığa bağlı olarak doğrusal şekilde artmaya devam etmesindense o enerjiden bir kuark antikuark çıkma durumunu daha çok seçilebilir kılar. Gluonlar da bu yapıdan dolayı hadronların içinde hapis olarak bulunurlar.

Renkhapsinin başka bir sonucu da gluonların hadronlar arasındaki nükleer kuvvette rol almamasıdır. Nükleer etkileşme için kuvvet taşıyıcıları mezon olarak isimlendirilen parçacıklardır.

Kuantum renk dinamiğine göre sadece bir gluon yalnız olarak hareket edememesine rağmen sadece gluonlardan oluşan ve gluontopu olarak isimlendirilen parçacıklar kuramsal olarak mümkündür. Bunun dışında bazı varsayımlara göre başka egzotik hadronlarda gluonlar parçacığı oluşturan bileşenlerden biri olabilir. Kuantum renkdinamiğinin boşluğunun ötesinde çok yüksek enerjilerde kuark-gluon plazması oluşur ve bu plazmada hadronlar bulunmaz, sadece kuarklar ve gluonlar serbest parçacık olarak bulunurlar.

Gluonların ilk deneysel gözlemle elde edilen delili 1979'da PETRA isimli elektron-pozitron çarpıştırıcısında gözlemlenen üç-jet olayıdır. Fakat bunun hemen öncesinde üç-gluon bozulmasına uygun sonuçlar Hamburg'daki DESY isimli parçacık hızlandırıcısının DORIS olarak adlandırılan kısmında PLUTO deneyinde elde edilmiştir. DESY'deki deneylerden gluonların spininin 1 olduğu sonucu çıkmıştır.

Deneysel olarak renkhapsi serbest kuark araştırmalarının başarısızlığı ile doğrulanmış kabul edilmektedir. Serbest gluon şimdiye kadar hiç gözlemlenmemiştir ama Fermilab'da üst kuarkın tek başına üretimi deneysel olarak istatistiksel verilere göre mümkün olmuştur.

Diğer taraftan egzotik hadronlar, kuark-gluon plazması ve gluontopu gibi kuramsal parçacıklar gözlemlenmemiştir.