Очарование физики - Глэшоу Ш.Л.
ISBN 5-93972-151-6
Скачать (прямая ссылка):
В цветовой StZ(S)-TeopHH все кварковые правила можно объяснить, приняв один постулат: все адроны должны быть представлены цветовыми синглетами; больших мультиплетов быть не может. Цветовой синглет можно построить двумя способами: объединяя кварк и антикварк одного цвета со всеми тремя цветами, представленными в равной степени, или объединяя три кварка или три антикварка так, чтобы в комбинацию вошли все три цвета. Эти условия эквивалентны правилам построения мезонов, барионов и антибарионов; они гарантируют, что все адроны будут бесцветны. Не существует других способов сделать синглет ?Е/(3)-цве-та; частица, созданная любым другим способом, стала бы членом большего мультиплета и имела бы конкретный цвет.
Несмотря на то, что цветовая 5[/(3)-теория адронов может объяснить кварковые правила, она не может полностью исключить из их природы элемент произвольности. Мы можем задать по-прежнему более фундаментальный вопрос: Как объясняется постулат о том, что все адроны должны быть цветовыми синглетами? Один из подходов к ответу на него, явно гипотетический, предлагали многие исследователи; он включает цветовую SU(3)-модель адронов в один из классов теорий, называемых калибровочными.
Цветовая калибровочная теория постулирует существование восьми безмассовых частиц, иногда называемых глюонами, которые являются переносчиками сильного взаимодействия, точно так же как фотон явля- 173 Кварки с цветом и ароматом
ется переносчиком электромагнитного взаимодействия. Подобно фотону, эти частицы не имеют электрического заряда, но имеют спин, равный 1; вследствие этого они называются векторными бозонами (бозонами, потому что имеют целый спин и подчиняются статистике Бозе - Эйнштена, а векторными, потому что частица со спином 1 описывается волновой функцией, принимающей вид четырехмерного вектора). Глюоны, подобно кваркам, экспериментально обнаружены не были.
Когда кварк испускает или поглощает глюон, изменяется цвет кварка, но не его аромат. Например, эмиссия глюона может преобразовать красный и-кварк в синий или желтый и-кварк, но не может превратить его в d- или s-кварк любого цвета. Поскольку цветовые глюоны являются квантами сильного взаимодействия, отсюда следует, что цвет является аспектом кварков, который наиболее важен при сильных взаимодействиях. На самом деле, при описании только сильных взаимодействий ароматами кварков, в сущности, можно пренебречь.
Цветовая калибровочная теория предполагает, что сила, связывающая воедино цветные кварки, представляет собой истинный характер сильного взаимодействия. Более знакомые сильные взаимодействия адронов (типа объединения протонов и нейтронов в ядро) являются проявлениями одной и той же основной силы, но взаимодействия бесцветных адронов являются не более чем слабым следом основного взаимодействия между цветными кварками. Точно так же как сила Ван дер Ba-альса, действующая между молекулами, является лишь слабым следом электромагнитного взаимодействия, связывающего электроны с ядрами, сильное взаимодействие, наблюдаемое между адронами, — не более чем след взаимодействия, существующего внутри отдельного адрона.
Из этих теоретических аргументов можно вывести интригующее, если не гипотетическое, объяснение конфайнмента кварков. Его сформулировали Джон Когут и Кеннет Вильсон из Корнеллского университета, а также Леонард Зускинд из университета Иешивы. Если оно окажется правильным, то будет доказано, что невозможность наблюдения цветных частиц (типа отдельных кварков и глюонов) не является результатом какого-бы то ни было недостатка эксперимента, а прямо следует из природы сильного взаимодействия.
Электромагнитная сила между двумя заряженными частицами описывается законом Кулона: сила уменьшается с увеличением квадрата расстояния между зарядами. Гравитация подчиняется в принципе похожему закону. На больших расстояниях эти силы убывают до пренебрежимо малых значений. Когут, Вильсон и Зускинд утверждают, что сильное взаимодействие между двумя цветным кварками ведет себя совсем иначе: оно не уменьшается с увеличением расстояния, а остается постоянным вне зависимости от расстояния, разделяющего кварки. Ec- 174
Кварки с цветом и ароматом
ли их аргумент правилен, то для отделения кварка понадобилось бы огромное количество энергии.
Чтобы выделить электрон из валентной оболочки атома, необходимо несколько электрон-вольт энергии. Расщепление атомного ядра требует несколько миллионов электрон-вольт. В отличие от этих значений отделение кварка от протона, составляющим которого он является, всего на один дюйм потребовало бы IO13 ГэВ — этой энергии было бы достаточно, чтобы поднять автора над Землей футов на 30. 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.
