ذره گلوئون چیست؟

دلیل نامگذاری گلوئون‌ها، این است که مانند یک «چسب» (glue) کوانتومی، کوارک‌ها (بنیادی‌ترین ذرات شناخته شده تاکنون) را به یکدیگر متصل می‌کنند تا بتوانند پروتون‌ها و نوترون‌ها را تشکیل دهند. گلئون‌ها به عنوان ذرات حامل نیروی (هسته‌ای)‌ قوی، یکی از چهار نیروی بنیادی شناخته شده در طبیعت معرفی می‌شوند. گلوئون ذره منتقل کننده‌ی نیروی قوی است، فوتون ذره حامل نیروی الکترومغناطیس، و بوزون‌های W و Z انتقال دهنده‌ی نیروی هسته‌ای ضعیف هستند، که همگی این ذراتِ حامل نیرو، بدون جرم و با اسپین کوانتومی ۱ هستند و به مجموعه‌ی آن‌ها «بوزون‌های پیمانه‌ای» (gauge bosons) می‌گویند.

گلوئون‌ها و کوارک‌ها به طور جدایی ناپذیری به هم متصل هستند. کوارک‌ها ذرات بنیادی تشکیل‌دهنده‌ی هادرون‌ها هستند که ذراتی متشکل از دو یا سه کوارک هستند. به عنوان مثال، پروتون‌ها و نوترون‌ها که هسته‌های اتمی را تشکیل می‌دهند، هادرون هستند و در نتیجه از کوارک‌ها و گلوئون‌ها ساخته شده‌اند. اگرچه کوارک‌ها با گلوئون‌ها به هم متصل هستند، اما کوارک‌ها از نظر اسپین کوانتومی آن‌ها که ۱/۲ است متفاوت هستند (اسپین گلوئون‌ها ۱ است)، و همچنین (بر خلاف گلوئون‌ها که بدون جرم هستند) دارای جرمی هر چند کوچک هستند، (برای مثال، یک کوارک «بالا» دارای جرم ۲.۰۱ مگا الکترون ولت (2.01 MeV) و یک کوارک «پایین» کمی سنگین‌تر است و جرمی به اندازه ۴.۷۹ مگا الکترون ولت (4.79 MeV) دارد که به ترتیب یک پنجم و نیمی از جرم یک پروتون است). وجه مشترک کوارک‌ها و گلوئون‌ها در این است که هیچ‌کدام نمی‌توانند به عنوان ذراتِ آزاد و مستقل از هم وجود داشته باشند و هیچ‌کدام بدون دیگری نمی‌توانند وجود داشته باشند.

اگرچه فیزیکدانان نمی‌توانند گلوئون‌ها را به صورت منفرد ببینند، اما شواهد غیرمستقیمی داریم که فقط با فرض حضور گلوئون‌ها قابل توضیح هستند. گلوئون‌ها اولین بار در سال ۱۹۷۹، در آزمایشی در Positron Electron Tandem Ring Accelerator (PETRA) در آزمایشگاه DESY در آلمان شناسایی شدند. PETRA حلقه‌ای به طول ۱.۴ مایل (۲.۳ کیلومتر) است که کمی شبیه به نسخه مینیاتوری برخورد دهنده بزرگ هادرونی (LHC) است، با این تفاوت که بر خلاف LHC که به پروتون‌ها و هسته‌های اتمی شتاب می‌بخشد، PETRA به لپتون‌ها، به‌ویژه الکترون‌ها و معادل‌های پادماده‌ی آن‌ها، یعنی پوزیترون‌ها، شتاب می‌دهد.

وقتی ماده و پادماده به هم می‌رسند از بین می‌روند. در صورت کوبیدن الکترون‌ها به پوزیترون، این جفت ذرات از بین می‌روند و یک کوارک و یک پاد-کوارک آزاد می‌کنند. دو کوارک قادر به جدا شدن از یکدیگر نیستند – هر چه بیشتر سعی کنند از هم دور شوند، نیروی هسته‌ای قوی بین آن‌ها شدیدتر می‌شود، انرژی ذخیره شده اضافی که به جفت کوارک و پاد-کوارک امکان واپاشی، یا “هادرونی شدن” و تبدیل شدن به ذرات هادرون را می‌دهد که در یک ناحیه مخروطی در امتداد جهت حرکت اولیه‌ی جفت کوارک و پاد-کوارک اصلی تشکیل می‌شوند. این ناحیه مخروطی از ذرات هادرون، جت (jet) نامیده می‌شود و یک نابودی ساده‌ی الکترون-پوزیترون دو جت متقابل هم متناظر با کوارک و پاد-کوارک ایجاد می‌کند.

با این حال، اگر گلوئون‌ها واقعی باشند، نابودی الکترون-پوزیترون نیز باید یک گلوئون در کنار جفت کوارک/ پاد-کوارک تولید کند و این گلوئون نیز باید به جت سوم هادرون تبدیل شود. به خاطر پایسته بودن تکانه، گلوئون مقداری از تکانه را از یکی از کوارک‌ها می‌گیرد و جهت جت خود را تغییر می‌دهد به طوری که جت‌های هادرونی شده از کوارک‌ها دیگر مستقیماً در مقابل یکدیگر قرار نمی‌گیرند، در حالی که جت مشتق شده از گلوئون از یک سمت خارج می‌شود. این در واقع همان چیزی است که در آزمایش PETRA، و در آزمایش‌های بعدی نیز مشاهده شد، و وجود گلوئون را تأیید می‌کند.

از کجا می‌دانیم که گلوئون‌ها وجود دارند؟

انبوهی از اندازه‌گیری‌های بسیار دقیق به درستی توسط نظریه‌ی مبتنی بر کوارک‌ها و گلوئون‌ها توضیح داده شده‌اند. یک آشکارسازی نسبتا مستقیم – و از نظر تاریخی اولین – از گلوئون‌ها، تولید سه جهت متمایز از ذرات در برخورد الکترون-پوزیترون است. این رویدادها با سه جت هادرونی، برای اولین بار در برخورد دهنده‌ی PETRA در سال ۱۹۷۹ مشاهده شد.

چرا گولئون‌ها مهم هستند؟

گلوئون‌ها مسئول اتصال کوارک‌ها به یکدیگر و در نتیجه تشکیل – و همچنین بسیاری از خواصِ – پروتون‌ها و نوترون‌ها، به عنوان بلوک‌های سازنده هسته‌های اتمی هستند.

آیا می‌توان گلوئون‌ها و کوارک‌ها را از هم جدا کرد؟

تا جایی که می‌دانیم، کوارک‌ها و گلوئون‌ها را نمی‌توان به عنوان ذرات آزاد مشاهده کرد، اما آن‌ها باعث ایجاد جت‌های هادرونی می‌شوند. با نگاهی دقیق‌تر به توزیع ذرات در یک جت، در واقع می‌توان تعیین کرد که آیا از یک گلوئون منشاء گرفته است یا از یک کوارک.

بار رنگی و کرومودینامیک کوانتومی

پلاسمای کوارک-گلوئون

این‌که گلوئون‌ها و کوارک‌ها را نمی‌توان هرگز از هم جدا کرد حرف کاملا درستی نیست، اما به شرایط بسیار شدیدی نیاز دارد که از زمان نخستین کسر از ثانیه پس از انفجار بزرگ تاکنون در طبیعت وجود نداشته است. چند تریلیونم ثانیه پس از بیگ بنگ، ابعاد کیهان بسیار کوچک و دمای آن هنوز بسیار زیاد بود و از مرتبه هزار تریلیون درجه بود. طی این زمان، حتی قبل از تشکیل هادرون‌ها، جهان نوزاد با سوپی از کوارک‌ها و گلوئون‌های آزاد که به نام پلاسمای کوارک-گلوئون (به اضافه لپتون‌هایی مانند نوترینو و الکترون) شناخته می‌شود، پر شده بود. از آنجایی که جهان بسیار داغ بود، کوارک‌ها و گلوئون‌ها با سرعت نور بدون محدودیت به هر سو حرکت می‌کردند و با چنان انرژی بسیار زیادی از کنار هم واجهیده می‌شدند که حتی نیروی هسته‌ای قوی نیز نمی‌توانست این ذرات را کنار هم نگه دارد. همزمان با انبساط و گسترش، کیهان بسیار سریع سرد شد و در اولین میلیونیم ثانیه، دما به اندازه کافی تا حد ۲ تریلیون درجه کاهش یافت، و این اجازه را به نیروی قوی داد تا کوارک‌ها و گلوئون‌ها را به یکدیگر متصل کند و اولین هادرون‌ها را تشکیل دهند. این امکان وجود دارد که پلاسمای کوارک-گلوئون را مشابه اوایل تحول کیهان در آزمایش‌گاه‌های شتاب‌دهنده ذرات، مانند آزمایش‌گاه سرن (CERN) یا برخورددهنده نسبیتی یون سنگین در آزمایشگاه ملی بروکهیون ایجاد کنیم. در این آزمایش‌گاه‌ها، هسته‌های اتمی عناصر سنگین مانند طلا یا سرب تقریباً با سرعت نور به هم کوبیده می‌شوند و در نتیجه یک گلوله آتشین مینیاتوری ایجاد می‌شود که برای لحظه‌ای کوتاه آن‌قدر داغ است که هادرون‌ها را به صورت پلاسمای کوارک-گلوئون تبدیل کند. این گوی آتشین تقریبا بلافاصله سرد می‌شود و کوارک‌ها و گلوئون‌ها دوباره با هم ترکیب می‌شوند و جت‌هایی از هادرون را تشکیل می‌دهند، از جمله مزون‌هایی که از دو کوارک تشکیل شده‌اند و باریون‌هایی که از سه کوارک ساخته شده‌اند. پلاسمای کوارک-گلوئون فوق‌العاده متراکم است و اغلب، جت‌های هادرون برای عبور از میان آن و از دست دادن انرژی تلاش می‌کنند. فیزیکدانان این اتفاق را “فرونشاندن” (quenching) می‌نامند، و میزان فرونشانی، و همچنین توزیع سرتاسری و انرژی جت‌ها، می‌تواند بینش مهمی درباره خواص پلاسمای کوارک-گلوئون ارائه دهد. به عنوان مثال، فیزیکدانان این را فهمیده‌اند که پلاسمای کوارک-گلوئون، بیشتر شبیه به یک سیال کامل است که با گرانروی (ویسکوزیته) صفر جریان دارد تا یک گاز. با یادگیری در مورد خواصی از این قبیل، بازآفرینی پلاسمای کوارک-گلوئون در شتاب‌دهنده‌های ذرات می‌تواند دریچه‌ای به گذشته‌ی کیهان و  لحظات بسیار نخستین پس از تولد کیهان بگشاید و رویدادهای پس از انفجار بزرگ، و زمانی که ماده برای اولین بار به وجود آمد را در اختیار دانشمندان قرار دهد.