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Gluon In der Teilchenphysik sind die en engl to glue kleben Elementarteilchen die indirekt für die Anziehung von Protone

Gluon

In der Teilchenphysik sind die Gluonen (engl. to glue = kleben) Elementarteilchen, die indirekt für die Anziehung von Protonen und Neutronen in einem Atomkern verantwortlich sind. Das Symbol für das Gluon ist .

Gluon (g)

Klassifikation
Elementarteilchen
Boson
Eichboson
Eigenschaften
elektrische Ladung neutral
Masse (theoretisch) 0 kg
SpinParität 1−

Damit bilden die Gluonen die Austauschteilchen der starken Wechselwirkung. Es gibt acht verschiedene Gluonen, die zwischen Quarks, den Bausteinen der Hadronen (Baryonen, z. B. Protonen und Neutronen, und Mesonen), ausgetauscht werden. Gluonen können aber auch direkt mit anderen Gluonen wechselwirken, so dass Teilchen existieren könnten, die nur aus Gluonen bestehen, die Glueballs.

Gluonen als Vermittler der starken Wechselwirkung Bearbeiten

Die Quantenchromodynamik (QCD) ist die heute akzeptierte Theorie zur Beschreibung der Starken Wechselwirkung. In ihr vermitteln Gluonen Kräfte zwischen Teilchen, die eine Farbladung tragen. Wenn zwischen zwei Quarks ein Gluon ausgetauscht wird, ändert sich die Farbladung der beteiligten Quarks. Das Gluon trägt dazu jeweils eine Antifarbladung zur Kompensation der ursprünglichen Farbladung des Quarks sowie die neue Farbladung des Quarks. Da das Gluon selbst auch eine Farbladung trägt, kann es mit anderen Gluonen wechselwirken. Diese Selbstwechselwirkung, d. h. die Wechselwirkung der die Wechselwirkung vermittelnden Teilchen miteinander, macht die mathematische Analyse der starken Wechselwirkung sehr kompliziert.

Die von den Gluonen vermittelte Anziehung zwischen den Quarks – und daraus folgend zwischen Protonen und Neutronen – ist für die Stabilität der Atomkerne verantwortlich (Zusammenhalt der Protonen und Neutronen im Atomkern; die Protonen würden sich ansonsten aufgrund ihrer gleichen elektrischen Ladung abstoßen).

Eigenschaften Bearbeiten

Masse, Ladung und Spin Bearbeiten

Gluonen sind elektrisch neutral und werden innerhalb des Standardmodells als masselos angenommen, während experimentell eine Masse von einigen MeV nicht ausgeschlossen werden kann. Ihr Spin ist 1.

Farbladung Bearbeiten

Sie besitzen eine Farbladung, die sich immer aus einer „Farbe“ und einer „Antifarbe“ zusammensetzt. Durch diese können die verschiedenen Gluonen unterschieden werden.

Aus gruppentheoretischen Überlegungen ergeben sich die möglichen Kombinationen von Farben und Antifarben in Gluonen:

(In Worten: Das direkte Produkt des Farbtripletts mit dem Antifarb-Triplett ergibt die direkte Summe, bestehend aus Oktett und einem Singulett).

Das Singulett ist nicht in der Lage, die Farbe eines Quarks zu ändern, da es einen total-symmetrischen Zustand darstellt. Man kann sich diesen Sachverhalt in Analogie zu Spinzuständen vorstellen. Alle in der Natur auftretenden Gluonen tragen „Bruttofarbe“ (entspricht: der Gesamtspin ist von null verschieden). Darunter befinden sich zwei Gluonen (die beiden letzten in der folgenden Auflistung), die keine „Nettofarbe“ besitzen (entspricht: z-Komponente des Spins ist null); aber „Bruttofarbe“ besitzen auch sie. Dagegen ist das Singulett echt farblos ( Gesamtspin 0) so, wie ein reeller oder komplexer Zahlenfaktor, und wenn es existierte, wäre es auf Grund seiner fehlenden Farbladung nicht durch Confinement gebunden, d. h., es würde eine Komponente der starken Wechselwirkung mit unendlicher Reichweite existieren, die in der Natur jedoch nicht beobachtet wird. Aus diesem Grund ist diese Kombination nicht realisiert, und die Quantenchromodynamik wird durch die Symmetriegruppe beschrieben. Während also die insgesamt Generatoren hat und damit 9 Eichfelder (Gluonen) besitzen würde, erhält man für die Gruppe nur Generatoren (die Gell-Mann-Matrizen), und es ergeben sich die üblichen acht Gluon-Wellenfunktionen:

Hier bedeutet beispielsweise die 1. Kombination, dass das Gluon mit einem grünen Quark reagieren kann und dessen Farbe in Rot ändert.

Die Verhältnisse sind analog zum Zweiteilchen-Spinprodukt mit bzw. oder d. h. mit zwei Basiszuständen bzw. Man kann daraus vier unabhängige Linearkombinationen bilden; drei davon, sowie , ergeben ein zusammengehöriges Triplett (Gesamtspin = Bruttospin: S=1; magnetische Quantenzahl (Nettospin) M=+1 bzw. 0 bzw. −1; eine vierte Funktion, gehört zum Singulett-Zustand (Bruttospin=Nettospin S=0). Die Zusatzkomplikation der Gluonen ist, verglichen mit dieser Analogie, dass man N=3 anstelle von N=2 betrachtet und dass man statt des Tripletts an Basiszuständen ein Oktett hat.

Experimenteller Nachweis Bearbeiten

Erste experimentelle Hinweise auf die Existenz der Gluonen gewann man 1979, als man am DESY in Hamburg mit dem Beschleuniger PETRA Ereignisse mit einer klaren Drei-Jet-Struktur fand. Den dritten Jet führte man auf die Abstrahlung eines Gluons durch eines der produzierten Quarks zurück.

Experimente mit tief inelastischer Streuung von Elektronen und Myonen an Protonen haben gezeigt, dass nur gut die Hälfte des Impulses des Protons von Quarks (Valenzquarks und Seequarks) getragen wird, den Rest schreibt man den Gluonen zu.

Weblinks Bearbeiten

Wiktionary: Gluon – Bedeutungserklärungen, Wortherkunft, Synonyme, Übersetzungen

Einzelnachweise Bearbeiten

  1. David J. Griffiths: Introduction to Elementary Particles. Wiley, John & Sons, New York 1987, ISBN 0-471-60386-4.
  2. Der Index C soll colour bedeuten (das englische Wort für Farbe).
  3. Eine andere Wahl der Basis findet sich in der englischen WP, ebenfalls unter 'Gluon'.
  4. John Ellis: Those were the days: discovering the gluon. In: CERN Courier. Band 49, Nr. 6, 2009, S. 15–18 (englisch, cern.ch).
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Veröffentlichungsdatum:
In der Teilchenphysik sind die Gluonen engl to glue kleben Elementarteilchen die indirekt fur die Anziehung von Protonen und Neutronen in einem Atomkern verantwortlich sind Das Symbol fur das Gluon ist g displaystyle mathrm g Gluon g KlassifikationElementarteilchenBosonEichbosonEigenschaftenelektrische Ladung neutralMasse theoretisch 0 kgSpinParitat 1 Damit bilden die Gluonen die Austauschteilchen der starken Wechselwirkung Es gibt acht verschiedene Gluonen die zwischen Quarks den Bausteinen der Hadronen Baryonen z B Protonen und Neutronen und Mesonen ausgetauscht werden Gluonen konnen aber auch direkt mit anderen Gluonen wechselwirken so dass Teilchen existieren konnten die nur aus Gluonen bestehen die Glueballs Inhaltsverzeichnis 1 Gluonen als Vermittler der starken Wechselwirkung 2 Eigenschaften 2 1 Masse Ladung und Spin 2 2 Farbladung 3 Experimenteller Nachweis 4 Weblinks 5 EinzelnachweiseGluonen als Vermittler der starken Wechselwirkung BearbeitenDie Quantenchromodynamik QCD ist die heute akzeptierte Theorie zur Beschreibung der Starken Wechselwirkung In ihr vermitteln Gluonen Krafte zwischen Teilchen die eine Farbladung tragen Wenn zwischen zwei Quarks ein Gluon ausgetauscht wird andert sich die Farbladung der beteiligten Quarks Das Gluon tragt dazu jeweils eine Antifarbladung zur Kompensation der ursprunglichen Farbladung des Quarks sowie die neue Farbladung des Quarks Da das Gluon selbst auch eine Farbladung tragt kann es mit anderen Gluonen wechselwirken Diese Selbstwechselwirkung d h die Wechselwirkung der die Wechselwirkung vermittelnden Teilchen miteinander macht die mathematische Analyse der starken Wechselwirkung sehr kompliziert Die von den Gluonen vermittelte Anziehung zwischen den Quarks und daraus folgend zwischen Protonen und Neutronen ist fur die Stabilitat der Atomkerne verantwortlich Zusammenhalt der Protonen und Neutronen im Atomkern die Protonen wurden sich ansonsten aufgrund ihrer gleichen elektrischen Ladung abstossen Eigenschaften BearbeitenMasse Ladung und Spin Bearbeiten Gluonen sind elektrisch neutral und werden innerhalb des Standardmodells als masselos angenommen wahrend experimentell eine Masse von einigen MeV nicht ausgeschlossen werden kann Ihr Spin ist 1 Farbladung Bearbeiten Sie besitzen eine Farbladung die sich immer aus einer Farbe und einer Antifarbe zusammensetzt Durch diese konnen die verschiedenen Gluonen unterschieden werden OktettAus gruppentheoretischen Uberlegungen ergeben sich die moglichen Kombinationen von Farben und Antifarben in Gluonen 3 3 8 1 displaystyle 3 otimes bar 3 8 oplus 1 nbsp In Worten Das direkte Produkt des Farbtripletts mit dem Antifarb Triplett ergibt die direkte Summe bestehend aus Oktett und einem Singulett Das Singulett ist nicht in der Lage die Farbe eines Quarks zu andern da es einen total symmetrischen Zustand darstellt Man kann sich diesen Sachverhalt in Analogie zu Spinzustanden vorstellen Alle in der Natur auftretenden Gluonen tragen Bruttofarbe entspricht der Gesamtspin ist von null verschieden Darunter befinden sich zwei Gluonen die beiden letzten in der folgenden Auflistung die keine Nettofarbe besitzen entspricht z Komponente des Spins ist null aber Bruttofarbe besitzen auch sie Dagegen ist das Singulett r r b b g g 3 displaystyle r bar r b bar b g bar g sqrt 3 nbsp 1 echt farblos displaystyle hat nbsp Gesamtspin 0 so wie ein reeller oder komplexer Zahlenfaktor und wenn es existierte ware es auf Grund seiner fehlenden Farbladung nicht durch Confinement gebunden d h es wurde eine Komponente der starken Wechselwirkung mit unendlicher Reichweite existieren die in der Natur jedoch nicht beobachtet wird Aus diesem Grund ist diese Kombination nicht realisiert und die Quantenchromodynamik wird durch die Symmetriegruppe S U 3 C displaystyle SU 3 C nbsp beschrieben 2 Wahrend also die U 3 C displaystyle U 3 C nbsp insgesamt N 2 3 2 9 displaystyle N 2 3 2 9 nbsp Generatoren hat und damit 9 Eichfelder Gluonen besitzen wurde erhalt man fur die Gruppe S U N 3 displaystyle SU N 3 nbsp nur N 2 1 8 displaystyle N 2 1 8 nbsp Generatoren die Gell Mann Matrizen und es ergeben sich die ublichen acht Gluon Wellenfunktionen ps 1 r g ps 2 r b ps 3 g r ps 4 g b ps 5 b r ps 6 b g ps 7 1 2 r r g g ps 8 1 6 r r g g 2 b b displaystyle begin aligned psi 1 amp r bar g rangle quad amp psi 2 amp r bar b rangle psi 3 amp g bar r rangle quad amp psi 4 amp g bar b rangle psi 5 amp b bar r rangle quad amp psi 6 amp b bar g rangle psi 7 amp tfrac 1 sqrt 2 left r bar r rangle g bar g rangle right amp psi 8 amp tfrac 1 sqrt 6 left r bar r rangle g bar g rangle 2 b bar b rangle right end aligned nbsp Hier bedeutet beispielsweise die 1 Kombination dass das Gluon mit einem grunen Quark reagieren kann und dessen Farbe in Rot andert 3 Die Verhaltnisse sind analog zum Zweiteilchen Spinprodukt ps i 1 ps k 2 displaystyle langle psi i 1 psi k 2 rangle nbsp mit ps i displaystyle psi i nbsp bzw ps k displaystyle psi k mathord uparrow nbsp oder displaystyle mathord downarrow nbsp d h mit zwei Basiszustanden ps displaystyle psi mathord uparrow nbsp bzw ps displaystyle psi mathord downarrow nbsp Man kann daraus vier unabhangige Linearkombinationen bilden drei davon ps 1 ps 2 1 2 displaystyle psi 1 mathord uparrow mathord uparrow psi 2 1 sqrt 2 uparrow downarrow downarrow uparrow nbsp sowie ps 3 displaystyle psi 3 mathord downarrow mathord downarrow nbsp ergeben ein zusammengehoriges Triplett Gesamtspin Bruttospin S 1 magnetische Quantenzahl Nettospin M 1 bzw 0 bzw 1 eine vierte Funktion 1 2 displaystyle 1 sqrt 2 uparrow downarrow downarrow uparrow nbsp gehort zum Singulett Zustand Bruttospin Nettospin S 0 Die Zusatzkomplikation der Gluonen ist verglichen mit dieser Analogie dass man N 3 anstelle von N 2 betrachtet und dass man statt des Tripletts an Basiszustanden ein Oktett hat Experimenteller Nachweis BearbeitenErste experimentelle Hinweise auf die Existenz der Gluonen gewann man 1979 als man am DESY in Hamburg mit dem Beschleuniger PETRA Ereignisse mit einer klaren Drei Jet Struktur fand 4 Den dritten Jet fuhrte man auf die Abstrahlung eines Gluons durch eines der produzierten Quarks zuruck Experimente mit tief inelastischer Streuung von Elektronen und Myonen an Protonen haben gezeigt dass nur gut die Halfte des Impulses des Protons von Quarks Valenzquarks und Seequarks getragen wird den Rest schreibt man den Gluonen zu Weblinks Bearbeiten nbsp Wiktionary Gluon Bedeutungserklarungen Wortherkunft Synonyme Ubersetzungen 1 PDF Datei 26 kB in der Teilchenliste der Particle Data Group PDF Datei 26 kB Einzelnachweise Bearbeiten David J Griffiths Introduction to Elementary Particles Wiley John amp Sons New York 1987 ISBN 0 471 60386 4 Der Index C soll colour bedeuten das englische Wort fur Farbe Eine andere Wahl der Basis findet sich in der englischen WP ebenfalls unter Gluon John Ellis Those were the days discovering the gluon In CERN Courier Band 49 Nr 6 2009 S 15 18 englisch cern ch Normdaten Sachbegriff GND 4157702 4 lobid OGND AKS Abgerufen von https de wikipedia org w index php title Gluon amp oldid 226282439