Экспериментальная ядерная физика - Мухин К.Н.
ISBN 5-283-04076-3
Скачать (прямая ссылка):
Конкретные эксперименты по поиску кварков в природе проводились при помощи самой разнообразной методики. Их искали в составе космических лучей при помощи камеры Вильсона (поиски треков с половинной плотностью капелек). Ставили опыт типа Милликена. Пытались получить на ускорителе в реакциях
Некоторые из этих опытов первоначально приводили к успеху, но последующий тщательный анализ неизменно показывал ошибочность полученных результатов. Кварки в свободном состоянии не обнаружены. Почему? На этот вопрос может быть два ответа: либо кварки имеют настолько большую массу, что энергии современных ускорителей недостаточны для их рождения (а в природе по той же причине их
(124.6)
§ 124. Трехкварковая модель
329
рождается очень мало), либо кварки в принципе не могут существовать в свободном виде. Первый ответ отдает предпочтение моделям с сильной связью. Второй позволяет сохранить хорошо подкрепленную экспериментом модель со слабой связью, если ее серьезно усовершенствовать.
Оказывается, можно совместить два, казалось бы, совершенно несовместимых свойства—слабую связь кварков в ад-ронах и их невылетание из тех же адронов при увеличении энергии взаимодействия. Объяснение невылетания кварков было получено в 1973 г. в рамках квантовой хромодинамики.
З.ПОНЯТИЕ О КВАНТОВОЙ ХРОМОДИНАМИКЕ. ГЛЮОНЫ
В основе квантовой хромодинамики лежит общий принцип всех калибровочных теорий*—локальная инвариантность, в данном случае относительно перемешивания трехцветных кварков. Для описания этого перемешивания необходимо восемь параметров. Соответственно в теорию вводится восемь компенсирующих полей с восемью безмассовыми калибровочными бозонами—глюонами**, которые осуществляют взаимодействие между кварками («склеивают» их между собой). Согласно этой теории кварки, обладающие цветовым зарядом, создают вокруг себя глюонное поле, т. е. могут испускать и поглощать глюоны подобно тому, как электрически заряженные частицы испускают и поглощают фотоны. Глюон имеет нулевой изоспин Т=0. Его другие свойства аналогичны свойствам фотона: m = 0, z = 0, гс=\~~. Однако в отличие от электрически нейтральных фотонов глюоны заряжены, т. е., так же как и их источники—кварки, обладают цветовыми зарядами. При этом поскольку глюоны являются переносчиками взаимодействия между кварками и антикварками любого цвета, «расцветка» всех восьми глюонов должна быть различной и двухцветной: красный-антикрасный, красный-антисиний, красный-антизеленый и т. п. Унитарные преобразования, описывающие изменение цветового состояния кварка, образуют точную (ненарушенную) группу SU (3). Благодаря наличию цветового заряда глюоны не только осуществляют взаимодействие между кварками, но и сами являются источниками новых глюонов***, которые в свою очередь порождают
* Подробнее о калибровочных теориях см. § 130, п. 2. ** От английского слова glue—клей.
*** Например, в результате взаимодействия красно-антисинего глюона с зелено-антикрасным образуется зелено-антисиний глюон.
330
Глава XXII. Кварки и глюоны. Квантовая хромодинамика
другие глюоны, и т. д. Таким образом, глюонное поле нелинейно. Оно растет по мере удаления от кварка. Вместе с ним растет эффективный цветовой заряд кварка. Описанное явление называется антиэкранировкой в отличие от известной в квантовой электродинамике экранировки, сущность которой заключается в уменьшении эффективного электрического заряда с ростом расстояния от него из-за поляризации вакуума.
Другими словами, энергия взаимодействия между кварками уменьшается при их сближении. Она практически равна нулю на малых расстояниях (асимптотическая или центральная свобода). Наоборот, с ростом расстояния между кварками их энергия взаимодействия возрастает и на достаточно больших расстояниях становится бесконечно большой (периферическое пленение). Цветные кварки как бы заперты в адронах. Это явление получило название confinement—невылетание, инфракрасное удержание.
Константа взаимодействия между кварками на малых расстояниях мала (меньше 1), что и обеспечивает возможность успешных расчетов в простых кварковых моделях со слабой связью. На больших расстояниях порядка размера адрона (около 10~13 см), где энергия взаимодействия велика, константа становится большой и количественные расчеты делаются затруднительными. В этой области выводы квантовой хромодинамики пока имеют силу очень правдоподобной гипотезы.
Из-за роста энергии взаимодействия с расстоянием одиночный кварк не может вылететь из адрона. Вместе с тем внутри адрона цветовые заряды кварков взаимно скомпенсированы (любой адрон—белый). Поэтому кварк-глюонное поле кварков, связанных в адронах, хотя и достаточно велико (оно и определяет в основном массу адронов), но замкнуто внутри адрона («кварковый мешок»), В связи с этим кварки в адронах представляются легкими* и слабосвязанными. При попадании быстрой частицы, например электрона, в один из кварков адрона (например, нуклона) кварк смещается, в результате чего энергия его взаимодействия с другими кварками резко возрастает. Если эта энергия окажется достаточной для
