Часть 6 ФИЗИКА АТОМНОГО ЯДРА И ЭЛЕМЕНТАРНЫХ ЧАСТИЦ

Раздел 18 ФИЗИКА ЭЛЕМЕНТАРНЫХ ЧАСТИЦ

18.11. Основные положения современной теории сильного взаимодействия

Допускается, что нуклоны состоят из точечных объектов - кварков и глюонів, которые движутся практически свободно внутри нуклона. Однако, несмотря на это, кварки не удалось выделить из нуклона и зафиксировать в открытом состоянии даже при максимально доступных энергиях. Существование глюонів также оказывается лишь косвенно. Чтобы объяснить это, была выдвинута гипотеза о устойчивое положение (или невылет) кварков и глюонів. Согласно этой гипотезе энергия, которую нужно затратить на расщепление нуклонов, растет с увеличением расстояния, и поэтому выделение чистого кварка требует бесконечно большой энергии. В реальных экспериментах, где энергия ограничена, вместо вылетания кварков наблюдается множественное рождение пионов. Гипотезу невылета до этого времени не доказано теоретически, но весь накопленный опыт свидетельствует в ее пользу.

Ученые пришли к специфической теории сильных взаимодействий, предложив три цвета кварков и калибровочную группу симметрии SU_С (3). Эта теория известна ныне под названием квантовой хромодинаміки (КХД)*. Термин «хромо» означает, что силы действуют не между электрическими, а между цветными зарядами. Сила взаимодействия определяется некоторой безразмерной константой связи, которая значительно больше по электромагнитную. В то время как электромагнетизм связан только с одним типом заряда, в сильной взаимодействия действуют три основных цвета: красный, зеленый и синий. Любой цвет является некоторой комбинацией основных цветных зарядов.

Есть несколько способов определения цветных зарядов. Рассмотрим один из них. Он предусматривает три вида цветных зарядов. Назовем их «красный минус зеленый» (R-G), «зеленый минус синий» (G-В) и «синий минус красный» (B-R). Значение каждого заряда может быть +1/2, -1/2 или 0 и каждый кварковий цвет имеет свою комбинацию зарядов. Кварк будет красным, если он имеет заряды R - G = +1/2, G - В = 0 и В - R = -1/2. Зеленый кварк имеет заряды R - G = -1/2, G - В = +1/2 и В - G = 0. Заряды синего кварка такие: R - G = 0, G - В = =-1/2 и В - R = +1/2. Антикольори, связанные с антикварками, образуются простой заменой знаков всех зарядов.

Каждую из этих комбинаций подобрано так, что сумма трех зарядов равна нулю. Никакие другие комбинации, кроме исследуемых, не имеют этих свойств. (Часть, которая не имеет цветного заряда, не является кварком.) Равенство нулю суммы трех цветовых зарядов указывает на то, что каждый из этих зарядов не является независимым от последних двух. Если известны любые два заряда, третий можно определить.

В системе, содержащей один красный, один зеленый и один синий кварк, полное значение цветного заряда также равна нулю. Комбинация трех цветов приводит нас к кольоронейтрального состояния. Следовательно, образуются кольоронейтральні адроны, такие, как протон. Безкольорова система может образовываться комбинированием цвета с соответствующим антикольором. Примером такого способа образования адронов может быть π-мезон.

Механизм передачи сильного взаимодействия подобен механизму передачи электромагнитного взаимодействия: взаимодействие между двумя заряженными частицами описывается как обмен некоторой третьей частицей. Однако квантовая хромодинамика более разнообразна. Если квантовая электродинамика оперирует с одним безмасовим фотоном, то КХД имеет восемь безмасових частиц, называемых глюонами. Более того, фотон не имеет электрического заряда, а некоторые глюоны переносят цветной заряд. Наличие заряженных частиц-переносчиков в корне меняет характер взаимодействия.

Поскольку глюоны заряженные, они не лишь переносят сильное взаимодействие, но и могут менять цвет кварков. Если бы не было заряженных глюонів, сильное взаимодействие менялась бы с расстоянием так же, как и электромагнитная. Сильное взаимодействие между кварками на больших расстояниях еще не изучена, но допускается, что сила взаимодействия не уменьшается, как квадрат расстоянии, а остается постоянной независимо от расстояния. Если это так, то нужна бесконечно большая энергия для разделения двух цветных кварков, что может быть объяснением невылета кварков из адронов.

Очевидно, что глюоны, ответственные за тождественные переходы, не должны иметь цветовых зарядов, иначе они бы меняли цвет кварков. Казалось бы, что должны существовать три таких кольоронейтральних глюоны, по одному для каждого тождественного преобразования. Однако поскольку достаточно двух независимых цветных зарядов, чтобы достать три кваркових цвета, существует лишь два кольоронейтральних глюоны, которые обозначаются так: G₁ и G₂.

Сильное взаимодействие описывается теорией, в которой связь глюонів с кварками можно передать с помощью матрицы три на три (рис. 18.3). Любой цвет из левой колонки может превратиться в любой цвет из верхнего ряда. Переход осуществляется глюоном, что размещается на пересечении соответствующей строки и столбца. Например, красный кварк может излучать глюон и стать синим.

Рис. 18.3

Схему определения цветных зарядов кварков и глюонів изображен на рис. 18.4. В триплеті кварков, что содержит по одному кварку каждого цвета, сумма значений каждого заряда равна нулю. Шесть глюонів имеют такие цветные заряды, чтобы можно было превратить кварки с одной цвета в другой. Из распределения зарядов в кварковому триплеті и наличия заряженных глюонів вытекает требование квантования цветового заряда: могут быть только цели и півцілі значение цветового заряда.

Рис. 18.4

Согласно с квантовой теорией принципиально невозможно построить определенный объект микромира из частиц все меньших и меньших масс, занимающих все меньшие объемы. Дело в том, что в соответствии с соотношением неопределенностей Гейзенберга (см. раздел 16.5) энергия частиц, а следовательно, и масса должны увеличиваться с уменьшением участка локализации их в этом объекте. В отличие от традиционных представлений о структуре материи, согласно которым объекты создались из частиц все меньших и меньших масс, возникла идея создать частицы определенной массы из частиц, которые имеют большие массы.

Так возникла идея строить адроны с более массивных кварков. Кварки склеенные между собой глюонами. На рис. 18.5 изображена схема построения восьми барионов из трех кварков. Чтобы получить антибаріони, надо кварки заменить на антикварки. Построение мезонов можно понять из рис. 18.6. Построение мезонов отличается от строения барионов тем, что они состоят из одного кварка и одного антикварная. Кроме того, нейтральный пион проявляется частично как и + , а частично как d + . Из кварков можно построить также другие частицы.

Рис. 18.5 Рис. 18.6

Новый кварково-глюонний уровень строения вещества не является простой копией предыдущих гипотез-за того, что эти объекты имеют особые свойства, которые ранее не наблюдались в микромире. Например, при определенных условиях можно расщепить атом на ядро и электроны, ядро атома на его составные части. Кварки же, хотя и движутся внутри нуклона почти свободно, принципиально неотделимы друг от друга. Динамика взаимодействия между кварками и глюонами внутри частиц в настоящее время интенсивно изучается, но много важных вопросов еще остаются без ответа. Передний край исследований продвинулся дальше, и ученые стараются ответить на новые вопросы, в частности как построены субкварки - объекты, с которых, как предполагается, могут состоять кварки.

_______________________________________________________________________

*Это название, как и термин «глюоны», ввели Г. Фрич, М. Гелл-Манн и Г. Летвейлер (1973 г.). Цветную взаимодействие впервые ввел И. Намбу (1966 г.).