Космология ранней Вселенной - Долгов А.Д.
ISBN 5-211-00108-7
Скачать (прямая ссылка):
важным шагом в построении теории сильного (ядер-!
3. КВАНТОВАЯ ХРОМОДИНАМИКА
57
ного) взаимодействия элементарных частиц. Следующий шаг состоял в
гипотезе, что цвет является зарядом, с которым взаимодействуют векторные
поля, названные глюонами (символ g), аналогично тому как фотоны
взаимодействуют с электрическим зарядом *. При взаимодействии с глюоном
может измениться цвет кварка, например
Ur-*-Ub + grb-
Идея изменения сорта частиц пришла из квантовой электродинамики.
Отталкивание двух электронов можно записать в виде двухступенчатого
процесса. Во-первых,
е-+е'+у,
электрон е "распадается" на электрон е' (с другим импульсом) и фотон у
(виртуальный фотон). Далее:
у+е"-+еп/,
т. е. этот фотон поглощает второй электрон е", превращаясь в электрон
е'". Хотя в квантовой электродинамике менялся только импульс и
поляризация электрона, такая схема подвела к идее об изменения типа
частицы при взаимодействии. Испускание или поглощение глюона меняет цвет
кварка, оставляя другие внутренние квантовые числа без изменения, т. е.
и-кварк переходит в и-кварк, d-кварк - в d-кварк и т. д. Как говорят,
глюон меняет цвет кварка, не меняя его аромата. Глюоны, очевидно, не
несут электрического заряда, но сами обладают цветом (это нечто вроде
заряженного фотона). В противном случае цвет не сохранялся бы. Из-за
наличия цвета возникает самодействие глюонов, что приводит к нелинейности
их уравнений движения. (Вспомним о нелинейности уравнений ОТО из-за того,
что гравитоны обладают энергией и, значит, грави-тируют).
В отличие от фотона, который единствен, глюонов много и различаются они
цветовыми зарядами. Глюон Цц переводит кварк цвета i в кварк цвета
Матрица gi/ размерности 3x3 имеет 9 элементов. Однако из нее исключают
единичный оператор 6i/Trg, который "ничего не делает" с кварками. В итоге
приходим к восьми глюонам.
Взаимодействие между кварками можно наглядно представить в виде силовых
линий глюонного поля, аналогичных силовым линиям электромагнитного поля.
Но у глюонов есть од-
* Эта теория напоминает теорию Юкавы с той, однако, разницей, что вместо
обмена (псевдо) скалярными я-мезонами между нуклонами рассматривается
обмен векторными глюонами между кварками. Это малозначимое на первый
взгляд обстоятельство приводит к глубокому качественному различию теорий.
58
4. ЭЛЕМЕНТАРНЫЕ ЧАСТИЦЫ
но чрезвычайно важное отличие от электрического поля. При удалении двух
электронов друг от друга силовые линии электрического поля вблизи каждого
из зарядов выпрямляются и стремятся к радиальным линиям. Энергия
электростатического взаимодействия убывает как 1 /г и соответственно сила
между зарядами - как 1/г2. Глюонное поле, в отличие от электромаг*
нитного, имеет заряд (цветовой), с которым оно само взаимодействует, т.
е. является нелинейным. Поэтому, как полагают, при удалении кварков
силовые линии глюонов не расходятся, а собираются в струну.
Энергия такой конфигурации поля пропорциональна расстоянию между
кварками, т. е. длине струны. Соответственно потенциал взаимодействия
кварков ведет себя подобно кулонов-скому на малых расстояниях и линейно
растет при больших г (рис. 6). Это приводит к принципиально новому
явлению - не-
вылетанию кварков (по английски confinement). В отличие от протонов,
электронов и т. п. кварки не могут существовать обособленно, как
свободные частицы. При попытках развестт кварки на большое расстояние,
например "разбивая" протонь: при столкновениях их друг с другом, кварк
может получить большую порцию энергии и сильно "натянуть" глюонную стру
ну. Напряженность глюонного поля при этом может стать настолько большой,
что из ва куума рождается пара кварк-антикварк. И этот аььтикварь вместе
с исходным энергичным кварком уже может уйти т большое расстояние, т. е.
рождается, например, к-мезон, г не свободный кварк. То же самое
происходит и при по пытке выбить глюон. Вообще на макроскопическое
расстоя ние может уйти только состояние с нулевым цветовым зарядом, или,
как говорят, белое состояние. Такими являют ся все известные элементарные
частицы. Заметим, что нулевоь цветовой заряд может иметь не только
система из кварка ь антикварка, но и система из трех кварков, как,
например, про тон или нейтрон. В этом важное отличие хромодинамики от э л
ектрод и на м и ки.
Отметим, что все бесцветные состояния имеют целочислен иый электрический
заряд, и наоборот все построенные иг кварков частицы с дробным
электрическим зарядом обязательно имеют ненулевой цветовой заряд.
Возможны, впрочем, г
Рис. 6. Потенциал взаимодействия кварков как функция расстояния
3. КВАНТОВАЯ ХРОМОДИНАМИКА
59
состояния с целым электрическим зарядом и ненулевым цветовым. Они также
не могут существовать в свободном виде.
Явление невылетания или экранировки цвета теоретически на основе первых
принципов пока не доказано, но такая картина хорошо подтверждается
опытом. В частности, при разрыве глюонной струны должна возникать
адронная струя, т. е. поток сильновзаимодействующих частиц (адронов),
