胶子

粒子物理学名词

胶子是传递夸克(Quark)之间强相互作用的粒子（规范玻色子）。共8种，静质量为0，自旋为1，具有色荷(Color Charge)。带电粒子间的电磁相互作用是通过交换光子而实现的；与此类比，具有色荷的夸克之间的强相互作用是通过交换胶子而实现的，所不同的是，光子不带电荷，光子本身不能放出或吸收光子；胶子具有色荷，胶子之间也有强相互作用，胶子本身可放出或吸收胶子。实验上还未发现自由状态的胶子，但1968年电子对质子的深度非弹性散射实验中，显示质子中有着点状结构，质子的能量只有一半由带电的点状物质所携带，另一半则由中性的无电磁作用的组分所携带。按照夸克模型及量子色动力学，这带电的点状结构是夸克，中性的组分就是胶子，实验结果提供了可能存在胶子的迹象。1979年在高能正负电子对撞实验中发现三喷注现象，进一步显示了胶子的存在。

胶子的一般性质

在物理学中，胶子是一种负责传递强核力的玻色子。它们把夸克‘捆绑’在一起，使之形成质子、中子及其他强子。

胶子是矢量规范玻色子，如同光子，它的电荷为0，自旋为1，但胶子本身带有色荷，可以产生强相互作用。为了满足局域规范不变性，胶子的质量必须为零，所以每一种胶子与光子一样具有两种偏振态。

描述夸克及胶子间强相互作用的理论叫量子色动力学（QCD）。量子色动力学告诉我们，夸克之间发生强相互作用通过交换胶子实现，而当两个夸克交换胶子时，它们自身携带的颜色也会同时改变。因胶子本身带色荷，所以胶子除了传递强相互作用之外，胶子与胶子之间也会有强相互作用，这一点不同于传递电磁相互作用的光子，光子由于不带电荷，所以光子与其自身并没有相互作用。胶子具有自相互作用这一性质使得物理学家对强核力的数学分析变得十分复杂和困难。

在量子色动力学中，夸克具有三种不同的色荷，通常称为：红色、蓝色与绿色；反夸克具有三种不同的反色荷：反红色、反蓝色与反绿色。以数学上群论的观点看，量子色动力学作为一个规范理论，其对应的规范群是特殊幺正群SU(3）。夸克作为SU(3）群的基础表示引入，所以携带三种不同的色荷；而胶子则属于SU（3）群的伴随表示，其维度为8，所以我们说胶子共有8种。通俗地讲，我们可以认为胶子同时具有色荷与反色荷，三种色荷与三种反色荷组合共有九种可能，即

胶子与色禁闭现象

胶子本身带有色荷而产生强相互作用。胶子间自相互作用使得色场可以形成弦状体，通常称为“通量管”（flux tube）。通量管两端连接着夸克。像弹簧一样，当通量管被拉长时，需要耗费能量，且随着通量管的长度增加能量成线性增长。夸克正是通过这种机制被囚禁于强子内部。当通量管被拉到足够长时，通量管会断裂，并在断裂处产生一对新的正反夸克，与原有的夸克配对分别形成强子态，这样形成的粒子仍然是无色的。

胶球

胶球是纯粹由胶子组成的强子束缚态。胶球在理论上之所以能存在是由于胶子之间存在强相互作用。要注意的是，与介子、重子等其他已知的强子态一样，胶球本身也不带色，即色中性。理论上有许多可能的胶球态，但都还未被实验确证。

胶子存在的实验证据

实验上，夸克与胶子的信号往往借助于其碎裂成更多的夸克胶子得以显现。这些碎裂出的夸克胶子会经过强子化过程变为实验上通常看到的无色的强子态。在1978年的一个夏季会议上，德国正负电子对撞机与储存环DORIS（DESY）的PLUTO 探测器实验声称发现了第一个胶子存在的证据，他们发现一具有非常狭窄共振峰Y(9.46)的强子型衰变过程，可以被解释为由三胶子产生的三喷注现象（three-jet event）。包括此实验在内的后续实验分析确证了以上观测的确是由三胶子产生的三喷注事件，并且证实了胶子自旋为1的属性。

1979年夏季，DESY的PETRA实验也观测到一个三喷注现象，被解释为正反夸克胶子的韧致辐射。后续的TASSO，MARK-J，PLUTO等实验陆续证实了此观测。

另外，在1996至2007年间，H1与ZEUS探测器实验对质子中胶子的数分布和动量分布进行了测量。HERMES以及HERA实验研究了胶子组份对质子自旋的贡献。

迄今为止，实验上并没有发现自由的夸克粒子。现代的观点认为色自由度在通常情况下被禁闭起来（色禁闭），所以自由的夸克由于携带色荷不能单独存在，而是受色量子数和味道量子数的约束从而配对成无色的强子态，这被称为夸克禁闭现象。然而，在Fermilab实验中已经显示出单一顶夸克产生的迹象（实际上仍然是配对产生，不过其中正反夸克具有不同的味道数）。实验上还未确证胶球的存在。

2000年，欧洲核子研究中心（CERN）SPS的重离子对撞实验声称观测到退禁闭现象，他们发现一种全新的物态，即夸克-胶子等离子体。由于没有像在强子中夸克胶子之间那么强的相互作用，夸克胶子等离子体非常类似于一种液体的存在。2004年至2010年，布鲁克海文国家实验室相对论性重离子对撞机（RHIC）的四个同时期开展的实验也宣布发现了夸克-胶子等离子体态。2010年，欧洲核子研究中心大型强子对撞机的三个实验ALICE，ATLAS，CMS也宣称证实了夸克-胶子等离子体态的存在。

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