Глюоны или «клей,

на котором держится весь мир»

 Уже несколько десятилетий назад физиками было выяснено, что кварки, входящие в состав адронов, удерживаются вместе при помощи электрически нейтральных «клейких» частиц,  получивших название глюоны (gluon от англ. glue — «клей»). Являясь квантом сильного взаимодействия (возбуждения глюонного поля, порождаемого кварками и антикварками), эти частицы сохраняют протоны и нейтроны в неизменном состоянии. Таким образом, они удерживают Вселенную от разрушения. Но до сих пор все детали осуществления этого взаимодействия пока ещё не известны.

Разберём механизм взаимодействия кварков посредством обмена между ними глюонами.

Эти «клейкие» частицы находятся в таком же соответствии с глюонным полем, что и фотоны с электромагнитным полем. Подобно фотонам, глюоны, как уже говорилось, нейтральны, не имеют массы; спин глюонов считается равным единице, внутренняя чётность отрицательна. Частицы с таким спином и чётностью ( ) называются векторными, поскольку при вращениях и отражениях координат их волновые функции преобразуются как обычные пространственные векторы. Ни у глюона, ни у фотона не обнаружена внутренняя структура. Поэтому глюон, также как и фотон, относится к классу фундаментальных векторных бозонов.

Диаграмма взаимодействия двух кварков посредством обмена глюоном

Согласно КХД при испускании или поглощении глюона кварк определённого цвета может его поменять, а может и сохранить. Но в любом случае будет выполняться закон сохранения цветового заряда кварков:

, ,

где  и  цветовые заряды кварков (  и  – цвета первого кварка до и после излучения;  и  – цвета второго кварка до и после поглощения),  а  – глюон.

Пусть первый кварк изначально будет красного цвета (К), а второй зелёного (З). Выясним, какого цвета необходимо испустить глюон первому кварку, чтобы его цветовой заряд стал зелёным, а цветовой заряд второго – красным.

Диаграмма взаимодействия двух кварков посредством обмена глюоном, при котором их цвета меняются на противоположные

Для данного случая из закона сохранения цвета в узлах диаграммы, представленной на рисунке, а и б имеем:

, .

Откуда получаем:   , т. е. необходим глюон красно-антизелённого цвета.

Процесс взаимодействия красного кварка с зелёным  в составе адрона

Рассмотрим ситуацию, при которой цвета двух кварков не меняются.

Диаграмма взаимодействия двух кварков посредством обмена глюоном, при котором их цвета не меняются на противоположные

Из соответствующей диаграммы следует:

, .

А цветовая структура глюона  принимает несколько значений:

Таким образом, из проделанных рассуждений, можно сделать вывод о том, что каждый глюон всегда обладает двумя цветовыми характеристиками (цветом и антицветом), которые в совокупности являются скрытыми.

Всего из трёх цветов и  трёх антицветов можно построить девять парных комбинаций:

В свою очередь эти девять комбинаций разбиваются на шесть явно окрашенных (недиагональные:   , , , , ) и три, обладающих скрытым цветом (диагональные: , , ).

Так как цветовые заряды, подобно электрическому заряду, сохраняются, шесть недиагональных пар не могут перемешиваться между собой. Для пар со скрытым цветом сохранение цветовых зарядов не препятствует переходам между ними: ). В результате этих переходов вместо цветовых сочетаний ,  и  возникают три их линейные комбинации:

,  ,  .

Эти комбинации получены из соображений симметрии и требования ортономированности глюонных состояний. При этом последняя из них полностью симметрична относительно цветов. Она не обладает скрытым цветом, а является абсолютно бесцветной (или, как говорят, белой). Если комбинация  не способна периносить цветовой заряд от одного кварка к другому, то никакой роли глюона она не играет. Исключив её, остаётся восемь глюонов:   , , , , , ,  .

Итак, в сильном взаимодействии могут принимать участие только восемь перечисленных глюонов. В силу цветовой симметрии все они между собой равноправны.

Выполняя роль цветового заряда, глюоны участвуют в сильном взаимодействии не только посредством их обмена между кварками, но и между другими глюонами. Сами глюоны способны испускать и поглощать глюоны.  На рисунке представлены по одной из возможных диаграмм рассеяния глюона на глюоне: а) посредством испускания виртуального глюона и б) прямого глюонного рассеяния.

Примеры диаграмм рассеяния глюона на глюоне: а) посредством испускания виртуального глюона; б) прямого клюонного рассеяния

Таким образом, помимо рассмотренных выше узлов сильного взаимодействия, существуют такие, в которых могут сходиться три или четыре глюона.

В отличие от глюонов, но схожие с ними по выше указанным характеристикам, фотоны не могут поглощать и испускать другие фотоны.

Из существования прямого взаимодействия глюонов вытекают очень важные различия между КЭД и КХД. Подробнее см. «Отличия КЭД от КХД».