Космология ранней Вселенной - Долгов А.Д.
ISBN 5-211-00108-7
Скачать (прямая ссылка):
летящих в •одном направлении. Существование таких адронных струй надежно
установлено в многочисленных экспериментах. Адронная струя представляет
собой след кварка в вакууме, подобный следу электрона в камере Вильсона.
Взаимодействие адронов на малых расстояниях (<10-13см) полностью
описывается довольно простой динамикой кварков и весьма похоже на
электромагнитное. Известные более тяжелые, чем и и d, кварки, и
наблюдаемые на опыте их связанные состояния напоминают позитроний. Сейчас
твердо установлено существование пяти сортов кварков со следующими
массами:
Сорт кварка и d S с ь t
Масса 5 МэВ 7 МэВ 150 МэВ 1,2 ГэВ 5 ГэВ 40 ГэВ*?
Масса протона, как известно, равна 940 МэВ и существенно превосходит
сумму масс составляющих его кварков (uud). Это объясняется тем, что в
массу протона вносит вклад энергия глюонного поля и кинетическая энергия
кварков, движущихся в области размером около 10-13 см. Значения,
приведенные в таблице, отвечают массе "голого" кварка, когда измерение
производится с большой передачей импульса (или на малых расстояниях), так
что влияние глюонного поля несушественно.
Потенциальное описание адронов неприменимо к легким и-, d-, s-кваркам,
так как они в существенной области являются релятивистскими. Однако для
новых тяжелых кварков потенциал (рис. 6)
U - -Ь Ьг
т
дает хорошее описание спектра адронов и вероятностей переходов с одного
уровня на другой. Сейчас^ известно большое семейство частиц, состоящих из
сс и из ЬБ, и согласие предсказаний теории с опытом является серьезным
аргументом в пользу кварковой структуры адронов.
* Надежных экспериментальных доказательств обнаружения шестого кварка
пока нет, но сейчас мало кто сомневается в его существовании, так как
теоретические аргументы в его пользу очень сильны.
60
4. ЭЛЕМЕНТАРНЫЕ ЧАСТИЦЫ
Хромодинамика становится чрезвычайно сложной наукой на больших, т. е. -
10_13 см, расстояниях. Дело в том, что эффективный цветовой заряд,
определяющий силу взаимодействия глюонов с кварками и между собой, растет
с увеличением расстояния (и соответственно падает с уменьшением) и
становится порядка 1 при г~ 10-13 см. Это явление получило название
асимптотической свободы. Большой эффективный заряд является причиной
интересных физических явлений при гтс 10-13 см и приводит к весьма
сложному адронному миру.
Ядерные силы в современном понимании возникают в результате
заэкранированного цветового взаимодействия адронов аналогично
электрическим ван-дер-ваальсовым силам между нейтральными атомами. Они
относительно слабы, приводя к энергии связи ядер порядка 10 МэВ, а
характерная энергия для цветового взаимодействия кварков на порядок или
даже на два выше.
Из-за того, что цветовой заряд не мал на больших расстояниях, описание
ядерных сил в рамках теории возмушений невозможно. Однако наиболее
дальнодействующую часть потенциала, связанную с обменом легчайшим из
адронов - я-мезо-ном, мы можем определить.
Разумеется, кварковая картина не привела к отмене наших взглядов на
структуру атомного ядра как состоящего из протонов и нейтронов. В нулевом
приближении кварки не важны в ядре, как строение ядра не важно в химии.
Однако мы уже сейчас понимаем, что в некоторых тонких ядерных явлениях
кварковая структура адронов становится существенной.
В настоящее время не ясно, являются ли кварки последним этапом на пути
дробления материи или они в свою очередь имеют внутреннюю структуру,
являются составными. Однако независимо от того, как будет решен этот
вопрос, кварковая теория адронов сохранится, во всяком случае для
описания физических явлений в области энергии от 1 до 100 ГэВ.
В настоящее время, как мы уже отмечали, известно 6 сортов кварков (твердо
установлено 5). Три из них и, с, t имеют заряд +2/з?, а три других d, s,
b xke. Каждый кварк может быть в трех цветовых состояниях, так что мы
имеем всего 18 состояний, но ни заряд, ни масса кварка не зависят от его
цвета, поэтому говорят, что мы имеем всего 6 сортов кварков, или 6
кварковых ароматов. Напомним, что взаимодействие глюонов со всеми
кварковыми ароматами одинаково, как одинаково взаимодействие фотонов,
например, с электроном и мюоном.
4. КВАРК-ЛЕПТОННАЯ СИММЕТРИЯ
61
§ 4. КВАРК-ЛЕПТОННАЯ СИММЕТРИЯ. ОГРАНИЧЕНИЕ НА ЧИСЛО ТИПОВ ЛЕПТОНОВ И
КВАРКОВ
В природе наблюдается любопытная симметрия: каждой паре кварков отвечает
пара лептонов:
сип сип анп
Такая кварк-лептонная симметрия, вероятно, не является просто случайным
совпадением. В единой теории электрослабых. взаимодействий ока необходима
для того, чтобы исчезала так называемая аномалия в дивергенции
аксиального тока, наличие которого препятствует перекормируемости теории.
Из опыта известны три семейства кварков и лептонов, но мы не можем
исключить, что существуют и другие более тяжелые, для рождения которых
пока не хватает энергии. Существование кварк-лептоккой симметрии
позволяет получить ограничение сверху ка число кварковых ароматов. Здесь
