GLUON

Η πιο ισχυρή δύναμη που γνωρίζουμε  στην φύση είναι η ισχυρή πυρηνική δύναμη, που συνδέει τα κουάρκ μεταξύ τους και σχηματίζει τα πρωτόνια, τα νετρόνια και όλα τα άλλα αδρόνια. Αυτή η δύναμη μεταξύ των κουάρκ είναι τόσο ισχυρή, ώστε είναι αδύνατον να μπορέσουμε να ελευθερώσουμε κάποιο κουάρκ από τον “περιορισμό” τους (confinement) μέσα στα αδρόνια. Φαίνεται σαν να συνδέονται μεταξύ τους με την βοήθεια μιας υπέρ – κόλλας, γι’ αυτό και τα σωματίδια μεσολαβητές της ισχυρής πυρηνικής δύναμης που επιτυγχάνουν αυτήν την σύνδεση ονομάζονται gluons. Στην ελληνική βιβλιογραφία αρκετά συχνά αναφέρονται ως γκλουόνια και ως γλοιόνια από την αρχαία ελληνική λέξη ὁ γλοιός που σημαίνει κόλλα.
Τα gluons, όπως όλοι οι φορείς των δυνάμεων, είναι μποζόνια. 

Όπως τα φωτόνια μεταφέρουν την ηλεκτρομαγνητική δύναμη μεταξύ των φορτισμένων σωματιδίων, έτσι και τα gluons μεταφέρουν την ισχυρή πυρηνική δύναμη ανάμεσα στα κουάρκ, τα οποία φέρουν “ισχυρό” φορτίο, που ονομάζουμε χρωματικό φορτίο ή απλώς χρώμα.

Κάθε κουάρκ μπορεί να έχει ένα από τα τρία χρώματα : κόκκινο ή R (Red), πράσινο ή G (Green),  μπλε ή Β (Blue). Κάθε αντικουάρκ φέρει ένα από τα τρία αντι-χρώματα, δηλαδή  αντι-κόκκινο (Ṙ), αντι-πράσινο (Ġ) ή αντι-μπλε (Ḃ). Οι κοινές ονομασίες των αντι-χρωμάτων είναι αυτές των συμπληρωματικών χρωμάτων : αντι-κόκκινο = τυρκουάζ , αντι-πράσινο = magenta και  αντι-μπλε = κίτρινο.

Στην φύση δεν παρατηρείται ποτέ ελεύθερο το χρώμα. Οι παρατηρούμενες δέσμιες καταστάσεις των κουάρκ, δηλαδή τα αδρόνια, έχουν συνολικό χρώμα μηδέν. Στα βαρυόνια το καθένα από τα τρία κουάρκ έχει και διαφορετικό χρώμα, ενώ στα μεσόνια έχουμε ένα είδος χρώματος στο κουάρκ και το αντίστοιχο αντι-χρώμα του στο αντικουάρκ.

Τα gluons δεν έχουν μάζα, όπως και τα φωτόνια. Όμως, ενώ τα φωτόνια είναι ελεύθερα να ταξιδεύουν σε πολύ μεγάλες αποστάσεις, τα gluons δρουν σε αποστάσεις μικρότερες των 10^-15 m. Αυτή η απόσταση είναι το τυπικό μέγεθος των αδρονίων.

Τα gluons και τα κουάρκ είναι “αιχμάλωτα” μέσα στα αδρόνια. Όταν αυτά δραπετεύουν, μπορούν να δηλώσουν έμμεσα την παρουσία τους με τον σχηματισμό ενός πίδακα (jet) αδρονίων (κυρίως από μεσόνια). Κάτι τέτοιο συμβαίνει, για παράδειγμα, όταν ένα ηλεκτρόνιο και ένα ποζιτρόνιο μεγάλης ενέργειας εξαϋλώνονται και σχηματίζουν ένα ζεύγος κουάρκ και αντι-κουάρκ.

e^–    +  e⁺  →  φωτόνιο  →  κουάρκ   +   αντι-κουάρκ

Όταν το κουάρκ και το αντι-κουάρκ απομακρυνθούν μεταξύ τους, σχηματίζουν δύο πίδακες αδρονίων. Αυτή η απότομη απομάκρυνση μπορεί να εκπέμψει και ένα ή δύο gluons. Αν κάποιο από αυτά gluons  φύγει με αρκετή ενέργεια, θα μπορέσει να παράγει τον δικό του πίδακα σωματιδίων, ξεχωριστό από εκείνους που σχηματίζουν το κουάρκ και το αντικουάρκ.

e^–    +  e⁺  →  κουάρκ   +   αντι-κουάρκ  +  gluon

Επειδή το gluon εκπέμπεται ή από το κουάρκ ή από το αντι-κουάρκ θα σχηματίσει συνήθως τον πίδακα με την μικρότερη ενέργεια.

Συνολικά υπάρχουν οκτώ gluons. Κάθε ένα από αυτά έχει μηδενική μάζα, μηδενικό ηλεκτρικό φορτίο, σπιν ħ, δεν έχει γεύση και φέρει χρώμα. Κάθε κουάρκ που εκπέμπει ή απορροφά gluons διατηρεί το ηλεκτρικό του φορτίο και την γεύση του. Ωστόσο, είναι δυνατόν να αλλάξει το χρώμα του.

Η ανταλλαγή των gluons συγκρατεί τα κουάρκ στο αδρόνιο και ταυτόχρονα αλλάζει το χρώμα τους. Στο παρακάτω σχήμα η κατακόρυφη διεύθυνση αναπαριστά την χωρική απόσταση μεταξύ των κουάρκ και η οριζόντια διεύθυνση αναπαριστά τον χρόνο. Παρατήρησε ότι σε κάθε διακλάδωση που εκπέμπεται ή απορροφάται ένα gluon, το άθροισμα του χρώματος (χρωματικό φορτίο) είναι μηδέν, δηλαδή το χρώμα διατηρείται. 

(Θυμήσου ότι η διατήρηση του ηλεκτρικού φορτίου σε ένα ηλεκτρικό κύκλωμα απαιτεί το άθροισμα των ρευμάτων σε κάθε διακλάδωση του κυκλώματος να είναι μηδέν) .

Επειδή τα gluons έχουν χρώμα, μπορούν να αλληλεπιδράσουν και μεταξύ τους.  Είναι θεωρητικά δυνατόν να δημιουργηθεί μια δέσμια κατάσταση μόνο από gluons. Αυτό το σύνθετο σωματίδιο ονομάζεται glueball.