Кварки и глюоны

Почти все наблюдаемые частицы принадлежат одному из двух семейств: яеитонам или адронам. Основное различие между ними состоит в том, что адроны участвуют в сильном взаимодействии, а лептоны не участвуют. Другое важное различие состоит в том, что в 60-х гг. были известны четыре лептона (е", ц", у, у_ц) и их античастицы и более сотни адронов.

Лептоны считаются элементарными частицами, т. к. они, насколько известно, не распадаются на составные части, не обнаруживают никакой внутренней структуры и не имеют определенного размера. (Попытки определить размеры лептонов показали, что верхний предел составляет 10'¹⁸ м). С другой стороны, адроны оказались более сложными частицами. Обилие уже открытых и вновь открываемых адронов наводит на мысль, что все они построены из каких-то других, более фундаментальных, частиц. С наибольшим успехом эта идея реализована в кварковой модели адронов. Кварковая модель объясняет нс только систематику, но и динамику адронов. Она приводит к массе оправдывающихся предсказаний и в настоящее время считается общепризнанной. В 1963 г. Гелл-Манном и независимо от него Цвейгом была выдвинута гипотеза, подтвержденная дальнейшими исследованиями, что все адроны построены из более фундаментальных частиц, которые, по предложению Гелл-Манна, были названы кварками. На основе кварковой гипотезы не только была понята структура уже известных адронов, но и предсказано существование новых. К настоящему времени установлено существование шести разновидностей (или так называемых ароматов) кварков: верхний — и, нижний — </, странный — s, очарованный — с, прекрасный (прелестный) — /?, высший — Л Все кварки имеют спин ½ (фермионы), барионный заряд 1/3 и дробный электрический заряд. Кварки и, с, t называют верхними, т. к. они имеют дробный электрический заряд +2/3. Остальные кварки d, s, h с электрическим зарядом -1/3 принято называть нижними. Полный набор всех квантовых чисел для каждого кварка носит название аромат. Таким образом, кварки имеют шесть ароматов. Каждому кварку соответствует свой антикварк. Кварки являются «кирпичиками» адронов.

Кварковый состав барионов. Спин бариона полуцелый, поэтому барионы состоят из нечетного (кроме одного) числа кварков. В основном барионы состоят из трех кварков (частицы с большим нечетным числом кварков, например из пяти — пентакварк, относятся к разряду экзотических). Рассмотрим случай, когда барион имеет спин, равный ½ (когда спины двух кварков параллельны, а спин третьего направлен противоположно). К таким частицам относятся, например, протон и нейтрон. Протон состоит из двух м-кварков и одного d-кварка (р —> uud), нейтрон состоит из одного м-кварка и двух {/-кварков (п —> udd). Их античастицы построены из антикварков: р —> uud, п —" udd.

Кварковый состав мезонов. Мезоны, обладая целочисленным спином (бозоны), построены из двух кварков: кварка и антикварка. Наиболее легкие заряженные мезоны представляются комбинациями ud и du. Это 71- мезоны: тг⁺ = ud, к~ = du . Нейтральный л°-мезон состоит также из кварка и антикварка. Но здесь проявляется необычное свойство микромира — линейная суперпозиция структур (состоящий, я°-мезон с равной вероятностью может находиться в состоянии ш7 и в состоянии dd (тг° = ий = dd).

При создании бариона зачастую необходимо, чтобы два (или более) идентичных кварка находились в одном и том же состоянии. Омегачастица, например, состоит из трех .v-кварков, причем все эти кварки должны находиться в одном и том же состоянии. Это возможно только для частиц, которые подчиняются статистике Бозе — Эйнштейна. Кварки имеют полуцелый спин, но при этом они должны удовлетворять статистике, которой подчиняются частицы, имеющие целый спин. Связь спина со статистикой являет собой непоколебимый принцип релятивистской квантовой механики. Его можно вывести непосредственно из теории, и его нарушений никогда не наблюдалось. Поскольку он справедлив для всех других известных частиц, то кварки невозможно исключить из области его господства.

Для выхода из этого тупика было предложено, что каждый аромат кварка имеет три разновидности, равные по массе, спину, электрическому заряду и всем прочим измеримым величинам, но различные по дополнительному свойству, которое стало известно иод названием цвет. Тогда можно было удовлетворить принципу исключения, и кварки могли оставаться фермионами, потому что в таком случае не все кварки в барионс занимали бы одно и то же состояние. Кварки могут отличаться по цвету, даже если все остальные их свойства абсолютно одинаковы.

Квантовое число «цвет» приписывается всем кваркам, независимо от типа (аромата). Цвет имеет три значения. Обычно их обозначают красный (К), зеленый (3), синий ©. Каждый кварк обладает единичным цветовым зарядом К, 3 или С. Цвет соответствующего антикварка обозначается К (антикрасный), 3 (антизеленый), С (антисиний) и является дополнительным к цвету кварка. Сильное взаимодействие кварка не зависит от его цветового состояния, т. е. оно одинаково для всех трех цветов. Понятие «цвет» введено не случайно, а связано с аналогией. В видимом оптическом свете существуют три основных цвета (красный, зеленый, синий), которые при смешении дают белый, бесцветный свет. Все наблюдаемые адроны не обладают квантовым свойством «цвет», следовательно, они являются бесцветными (белыми). Барионы состоят из трех кварков, в них вес цвета (К, 3, С) смешаны равномерно. Мезоны состоят из двух кварков, окрашенных в цвет и антицвет. Так как антицвет является дополнительным к своему цвету, то комбинации К К, 3 3, С С считаются бесцветными (белыми).

По современным представлениям сильные взаимодействия осуществляются путем обмена между кварками безмассовыми частицами со спином 1 и нулевой массой покоя. Эти частицы называются глюонами (англ, glue — клей). Обмен глюонами между кварками меняет их цвет, но оставляет неизменными все остальные квантовые числа, т. е. сохраняет аромат кварка. Как и кварки, глюоны являются цветными частицами, но поскольку каждый глюон изменяет цвета сразу двух кварков (кварка, который испускает глюон, и кварка, который поглотил глюон), то глюон окрашен дважды, неся на себе цвет и антицвет, отличный от цвета.

Из трех цветов и антицветов можно составить всего девять комбинаций. Каждой такой окрашенной комбинации соответствует глюон, следовательно, возможно существование восьми глюонов, обладающих характеристикой «цвет». Глюоны электрически нейтральны и не обладают слабым взаимодействием. Глюоны взаимодействуют только с кварками и другими глюонами.

Взаимодействие глюонов между собой приводит к тому, что силовые линии цветного взаимодействия кварков представляют собой жгут силовых линий, протянутый между кварком и антикварком. Это отличается от электромагнитного взаимодействия, в котором силовые линии расходятся от их источника — электрического заряда — веером, ибо виртуальные фотоны, испущенные одновременно источником, нс взаимодействуют друг с другом. Сами глюоны, имея цветовые заряды, становятся источниками новых глюонов, число которых нарастает по мере их удаления от кварка.

Такая картина взаимодействия соответствует зависимости потенциальной энергии взаимодействия между кварками от расстояния между ними, показанной на рис. 4.2.1 До расстояния г < 1СГ¹³ см зависимость U (г) имеет воронкообразный характер, причем сила цветового заряда в этой области расстояний относительно невелика, при этом кварки в этой области можно в первом приближении рассматривать как свободные, невзаимодействующие частицы. Это явление носит специальное название асимптотической свободы кварков при малых г. Однако при г больше некоторого критического г_кр«1(Г¹³см величина потенциальной энергии взаимодействия U® становится прямо пропорциональной величине г. Отсюда следует, что сила F = -dU / dr = const нс зависит от расстояния.

Рис. 4.2.1.

Никакие другие взаимодействии, которые физики изучали ранее, не обладали столь необычным свойством. Расчеты показывают, что силы, действующие между кварком и антикварком, действительно, начиная.

^с г *10 ¹³ см, перестают зависеть от расстояния, оставаясь на уровне огромной величины. На расстоянии г ~ КГ¹² см (равном радиусу средних атомных ядер) цветные силы более чем в 100 тысяч раз больше электромагнитных сил. Если сравнить цветную силу с ядерными силами между протоном и нейтроном внутри ядра, то оказывается, что цветная сила в тысячи раз больше ядерных! Однако выделить цветную энергию невозможно. Это связано с тем, что при увеличении расстояния между кварками линейно растет потенциальная энергия взаимодействия до тех пор, пока энергетически становится более выгодным образовать разрыв с рождением кварк-антикварковой пары частиц. Это происходит тогда, когда потенциальная энергия в месте разрыва больше энергии покоя кварка и антикварка. Отделение кварка, например, от протона, составляющим которого он является, требует энергии ~10¹³ ГэВ. Но задолго до достижения такого уровня энергии вмешался бы другой процесс. Из энергии, поставленной для выделения одного кварка, материализовались бы новые кварк и антикварк. Новый кварк занял бы в протоне место удаленного, и частица была бы восстановлена. Новый антикварк прицепился бы к вытесненному кварку, образуя мезон. Вместо отделения цветного кварка мы добились бы лишь создания бесцветного мезона. Этот механизм не дает нам увидеть отдельный кварк, отдельный глюон или любую комбинацию кварков или глюонов, которая имела бы цвет.

Такие качественные представления о рождении кварка-антикварка позволяют понять, почему одиночные кварки вообще не наблюдаются и не могут наблюдаться в природе.

В цветовом взаимодействии участвуют три вида цветовых «зарядов», и эго приводит к «вечному пленению» кварков и глюонов внутри адронов, поэтому выделение цветовой энергии невозможно. Это явление нсвылета кварков (глюонов) называется конфайнментом (ограничение, заключение, удержание). Следовательно, ядерные силы, как и силы Ван дер Ваальса, не являются действительно фундаментальными, а являются лишь слабым следом цветового (сильного) взаимодействия кварков и глюонов. Описание сильного взаимодействия кварков и глюонов дает специальная теоретическая дисциплина — квантовая хромодинамика (КХД).