Gluon

Gluon
	Diyagram 1: Feynman diyagramlarında, yayılan gluonlar sarmal çizgilerle gösterilir. Bu diyagram, bir elektron ile pozitronun yok oluşunu tasvir etmektedir.
Bileşim	Temel parçacık
İstatistik	Bose–Einstein istatistiği
Aile	Ayar bozonu
Etkileşim(ler)	Güçlü etkileşim
Sembol	g
Teorileştirme	Murray Gell-Mann (1962)
Keşif	e+e− → Υ(9.46) → 3g: 1978'de DORIS'te (DESY) PLUTO deneyleri tarafından (bkz. diyagram 2 ve tekrar derleme)); ve ; e+e− → qqg: 1979'da PETRA'da (DESY) TASSO, MARK-J, JADE ve PLUTO deneyi tarafından (bkz. diyagram 1 ve inceleme))
Türler	8
Kütle	0 (teorik değer); < 1,3 MeV/c2 (deneysel sınır)
Elektrik yükü	0 e
Renk yükü	oktet (8 doğrusal bağımsız tür)
Spin	1 ħ
Eşlem	−1

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 renk yükü 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.

Özellikler

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 olması gerektiğini gösteriyor.) Uzay koordinatları eksi değerleri ile değiştirildiğinde (parite) gluonların eksi denklik işlemcisi sayısına sahip oldukları ortaya çıkar.

Gluonların Numaralandırılması

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

Bu durumun sezgisel olarak kavranması zordur. Kuarklar üç farklı renk yükü taşırlar ve anti-kuarklar 3 farklı antirenk yükü taşırlar. Kuarkların bu özelliklerinden farklı olarak gluonlar hem renk yükünü hem de anti renk yükünü birlikte taşırlar. Bu birlikte taşıma durumunun daha iyi anlaşılabilmesi için renk yükünün matematiksel analizinin çalışılması gereklidir.

Renkyükü ve süperpozisyon

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.

(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.

Renkyükünün tekil durumu

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

Renk yüksüz durumları diğer renk yüksüz durumlarla etkileşebilir ama renk yüklü durumlarla etkileşemez. Bunun yanı sıra uzun mesafeli gluon etkileşimleri bulunmamaktadır. Uzun mesafeli gluon etkileşimlerinin bulunmaması da renk yükünün tekil durumunun gluonlarda olmamasıyla sonuçlanır. Renk yükü düşünüldüğünde bu tekil durumun olması gerektiği hesaplamalardan çıkan bir sonuçtur ama uzun mesafeli gluon etkileşimlerinin bulunmaması gluonların tekil durumunun gözlemlenememesi olarak nitelendirilmiştir ve renk yükünün tekil durumu gluon için yasak durum olarak nitelendirilir.

Renk yükünün tekil durumu:

(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.

Gluonda renk yükünün sekizil durumu

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

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

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.

Grup kuramı ayrıntıları

Teknik olarak kuantum renk dinamiği SU(3) ayar simetrisine sahip bir ayar kuramıdır. Kuarklar renk yükü 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 renk yüksüz tekil durumun bulunmaması kuantum renk dinamiğinin U(3) grubu ile değil de SU(3) grubu ile tanımlanması ile açıklanır. Kuantum renk dinamiği için SU(3) grubunun seçilmesinin nedeni deneysel olarak uzun mesafeli gluon etkileşimlerinin gözlemlenmemesidir.

Renk hapsi (Confinement)

Gluonlar renk yükü taşıdıkları için güçlü etkileşime katılırlar. Gluon-gluon arasındaki etkileşimler renk yükü 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 anti-kuark çıkma durumunu daha çok seçilebilir kılar. Gluonlar da bu yapıdan dolayı hadronların içinde hapis olarak bulunurlar.

Renk hapsinin 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 renk dinamiğinin boşluğunun ötesinde çok yüksek enerjilerde kuark-gluon plazması oluşur ve bu plazmada hadronlar bulunmaz, sadece kuarklar ve gluonlar serbest parçacık olarak bulunurlar.

Deneysel gözlemler

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 renk hapsi 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.

Kaynakça

↑ M. Gell-Mann (1962). "Symmetries of Baryons and Mesons" (PDF). Physical Review. 125 (3): 1067-1084. Bibcode:1962PhRv..125.1067G. doi:10.1103/PhysRev.125.1067 . 21 Ekim 2012 tarihinde kaynağından arşivlendi (PDF). . This is without reference to color, however. For the modern usage see Fritzsch, H.; Gell-Mann, M.; Leutwyler, H. (Nov 1973). "Advantages of the color octet gluon picture". Physics Letters B. 47 (4): 365-368. Bibcode:1973PhLB...47..365F. CiteSeerX 10.1.1.453.4712 . doi:10.1016/0370-2693(73)90625-4.
↑ B.R. Stella and H.-J. Meyer (2011). "Υ(9.46 GeV) and the gluon discovery (a critical recollection of PLUTO results)". European Physical Journal H. 36 (2): 203-243. arXiv:1008.1869v3 . Bibcode:2011EPJH...36..203S. doi:10.1140/epjh/e2011-10029-3.
↑ P. Söding (2010). "On the discovery of the gluon". European Physical Journal H. 35 (1): 3-28. Bibcode:2010EPJH...35....3S. doi:10.1140/epjh/e2010-00002-5. 30 Nisan 2020 tarihinde kaynağından arşivlendi21 Temmuz 2026.
↑ "Why are there eight gluons?". 5 Ağustos 2026 tarihinde kaynağından arşivlendi.
1 2 3 W.-M. Yao; ve diğerleri. (Particle Data Group) (2006). "Review of Particle Physics". Journal of Physics G. 33 (1): 1. arXiv:astro-ph/0601168 . Bibcode:2006JPhG...33....1Y. doi:10.1088/0954-3899/33/1/001 .
↑ F. Yndurain (1995). "Limits on the mass of the gluon". Physics Letters B. 345 (4): 524. Bibcode:1995PhLB..345..524Y. doi:10.1016/0370-2693(94)01677-5.

[1] M. Gell-Mann (1962). "Symmetries of Baryons and Mesons" (PDF). Physical Review. 125 (3): 1067-1084. Bibcode:1962PhRv..125.1067G. doi:10.1103/PhysRev.125.1067 . 21 Ekim 2012 tarihinde kaynağından arşivlendi (PDF). . This is without reference to color, however. For the modern usage see Fritzsch, H.; Gell-Mann, M.; Leutwyler, H. (Nov 1973). "Advantages of the color octet gluon picture". Physics Letters B. 47 (4): 365-368. Bibcode:1973PhLB...47..365F. CiteSeerX 10.1.1.453.4712 . doi:10.1016/0370-2693(73)90625-4.

[SMY-2] B.R. Stella and H.-J. Meyer (2011). "Υ(9.46 GeV) and the gluon discovery (a critical recollection of PLUTO results)". European Physical Journal H. 36 (2): 203-243. arXiv:1008.1869v3 . Bibcode:2011EPJH...36..203S. doi:10.1140/epjh/e2011-10029-3.

[SOE-3] P. Söding (2010). "On the discovery of the gluon". European Physical Journal H. 35 (1): 3-28. Bibcode:2010EPJH...35....3S. doi:10.1140/epjh/e2010-00002-5. 30 Nisan 2020 tarihinde kaynağından arşivlendi21 Temmuz 2026.

[4] "Why are there eight gluons?". 5 Ağustos 2026 tarihinde kaynağından arşivlendi.

[pdg-5] 1 2 3 W.-M. Yao; ve diğerleri. (Particle Data Group) (2006). "Review of Particle Physics". Journal of Physics G. 33 (1): 1. arXiv:astro-ph/0601168 . Bibcode:2006JPhG...33....1Y. doi:10.1088/0954-3899/33/1/001 .

[6] F. Yndurain (1995). "Limits on the mass of the gluon". Physics Letters B. 345 (4): 524. Bibcode:1995PhLB..345..524Y. doi:10.1016/0370-2693(94)01677-5.

[1]

[2]

[3]

[4]

[5]

[6]