量子力學：來認識一下膠子的特性和概念

接下來我們該認識一下膠子了。在粒子物理學中，膠子（gluon）是負責在兩個夸克之間傳遞強作用力的基本粒子，類似光子負責在兩個帶電粒子之間傳遞電磁力一般。

用科學術語來說明，膠子是量子色動力學用來在兩個夸克之間傳遞強相互作用的矢量規範玻色子。膠子本身帶有強相互作用的色荷，這與光子不同，光子不帶有色荷。因此，膠子不但傳遞強相互作用，它還參與強相互作用，這使得量子色動力學的分析遠比量子電動力學困難。

膠子是矢量規範玻色子，如同質子，它的自旋為1。自旋為1的帶質量粒子可以擁有三種偏振態。在量子場論里，為了滿足局域規範不變性，規範玻色子的質量必須為零，因此膠子不帶質量（實驗上限為0.0002 eV），所以，只有兩種偏振態。

類似光子，膠子是個矢量粒子，所以膠子的內秉宇稱是負數-1

在量子色動力學裡，依照所帶有的色荷與反色荷來區分，一共存在有8種不同的膠子。

每個夸克都帶有三個不同的色荷：紅色、藍色與綠色。每個反夸克都帶有三個不同的反色荷：反紅色、反藍色與反綠色。每個膠子帶有一個色荷與一個反色荷。要想正確了解它們怎樣組合在一起，就必需更仔細地思考色荷數學。

由於膠子本身帶有色荷，膠子也參與強相互作用。膠子-膠子相互作用使得色場成為像絲弦一般的物體，稱為「通量管」（flux tube）。當通量管被拉長時，會出現張力，因此將夸克禁閉於強子內部，這機制有效地局限強作用力的範圍半徑至10?15 m以內，大約為原子核的尺寸。當超過某特定長度後，假若連結兩個夸克的通量管的長度越長，則能量越高，呈線性增長；當通量管被拉到足夠長之時，在能量方面，從真空製成一個夸克-反夸克對會比一味地增加通量管長度更為有利，這時，繼續拉長通量管可能會導致通量管會斷裂，形成一個夸克-反夸克對。

雖然在量子色動力學的正常相（英語：normal phase of QCD），單獨膠子無法自由移動，物理學者猜測，可能存在純粹由膠子形成的強子，稱為膠球。其它種奇異強子也可能存在，這些奇異強子的重要成分將會是真實膠子，而不是虛膠子。當不處於正常相之時，即在極端高溫與極端高壓強狀況，會形成夸克-膠子等離子體，在這夸克-膠子等離子體里，不會有機會形成強子，因為夸克與膠子都會變成自由粒子。

接著我們來看看關於膠子的各種實驗。

夸克與膠子借著分裂成更多夸克與膠子來顯現自己。這些分裂出的夸克與膠子又會強子化成為無色的正常粒子。1978年夏季，在國際會議、座談會等等多個學術場合里，德國電子加速器的正負電子對撞機與儲存環（DORIS）的PLUTO 實驗團隊報告，發現非常狹窄共振Y(9.46)的強子型衰變可以詮釋為由三個膠子製成的 三重噴流事件（英語：three-jet event）的證據。

同一團隊後來發表分析報告確定這詮釋正確無誤，並且展示出膠子的自旋為1。

1979年夏季，在德國電子加速器的正負電子對撞機PETRA，TASSO實驗團隊、MARK-J實驗團隊、 PLUTO實驗團隊，後來，在1980年，JADE粒子探測器（英語：JADE (particle detector)））又觀察到三重噴流事件，這被詮釋為qq膠子軔致輻射，現在更為明顯可見。

1980年，TASSO實驗團隊與PLUTO實驗團隊確定膠子的自旋為1。1991年，在歐洲核子研究組織大型正負電子對撞機儲存環完成的一項後續實驗確定這結果正確無誤。

在德國電子加速器的強子-電子環加速器，膠子的物理性質被特別地研究分析。H1探測器實驗與ZEUS探測器實驗，這兩項實驗對於膠子在質子里的數量分布與動量分布做出仔細測量。

從1996年至2007年，HERMES實驗（英語：HERMES experiment）研究膠子對於質子自旋的貢獻。從H1探測器實驗搜集的光子製備數據，被用來計算光子內部的膠子密度，當光子呈現強子行為之時。

色禁閉可以用無法找到自由夸克來核對，也就是說無法找到非整數的電荷。通常，為了抵銷量子顏色與風味量子數，夸克會成對產生（夸克與反夸克）。可是，在費米實驗室的CDF實驗團隊與D0實驗（英語：D0 experiment）團隊於2009年報告，探測到頂夸克單獨產生的證據（雖然這仍舊涉及到成對產生，但是夸克與反夸克的風味不同）。至今為止，尚未能找到任何膠球存在的證據。

2000年，歐洲核子研究組織的超級質子同步加速器聲稱，在重離子對撞時觀察到退禁閉，這意味著觀察到一種新的物質態：夸克-膠子等離子體。2004年至2010年，在布魯克黑文國家實驗室的 相對論性重離子對撞機（RHIC），四個不同實驗同時期找到夸克-膠子等離子體。2010年，在歐洲核子研究組織的大型強子對撞機，三個實驗大型離子對撞機實驗、超環面儀器與緊湊μ子線圈確定探測到夸克-膠子等離子體。

上面的內容，就是人類目前對於膠子的研究和認識。怎麼樣？到現在為止，你的大腦還能儲存多少內容？ 其實你的大腦儲存東西的極限是不存在的。但單次儲存內容的極限是存在的。所以你可以休息一天，明天繼續來看下面的內容。

摘自獨立學者，詩人，作家，國學起名師靈遁者量子力學書籍《見微知著》

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