Лауреаты конкурса «Свободный полёт - 2013»

    О фонде  Конкурс Свободный полёт  Конкурс творческих идей  Собрание конкурсных работ  Физика  Математика  Это интересно 

Открытие внутренней структуры адронов. Кварковая модель

Физика XX века делала все новые и новые прорывы в изучении элементарных частиц: в экспериментах достигалась все большая точность, энергии столкновений росли. Однако от накопления данных о субмикромире ясность в его понимании не намечалась. Напротив, в экспериментах открывались все новые и новые частицы с непредсказуемыми, иногда неожиданными свойствами. Ясно стало только одно: в мире элементарных частиц царят законы — симметрии — которые чтят многие из них. Однако есть частицы и взаимодействия, которые активно нарушают эти симметрии. Примером такого непреложного закона в электродинамике является сохранение электрического заряда; этот закон не нарушает ни одна частица, поэтому, например, ‑мезон не может распасться на два фотона, как ‑мезон. Однако есть и другие законы сохранения — например, закон сохранения лептонного заряда, в силу которого запрещен распад протона на позитрон и фотон,

В правой части здесь стоит антилептон с лептонным зарядом , а все остальные частицы не имеют лептонного заряда — поэтому в левой и правой части лептонный заряд отличается, что недопустимо. Распад протона по этому каналу возможен только в теории Великого Объединения взаимодействий и должен происходить чрезвычайно редко. Ключевыми для стабильности частиц являются законы сохранения энергии и импульса, благодаря которым в вакууме запрещены следующие реакции:

В физике элементарных частиц, таким образом, очень часто действует правило: если в гипотетической реакции превращения частиц не нарушаются известные законы сохранения, она протекает. Скорость протекания может зависеть от того, какие взаимодействия руководят процессом превращения, а также от того, сколько приближенных законов сохранения нарушается в реакции.

Еще одним удивительным свойством субатомных частиц оказалась их группировка по мультиплетам — наборам из нескольких частиц с в чем-то сходными, а в чем-то дополняющими друг друга свойствами. Примерами таких мультиплетов являются дублет нуклонов , а также триплет пи-мезонов . Несколько мультиплетов можно объединить в один гипермультиплет, как, например, показано ниже.

Координатные оси при данном расположении частиц соответствуют проекции изоспина и так называемому гиперзаряду . Мультиплеты лежат на прямых постоянного гиперзаряда, причем для каждого мультиплета проекция изоспина пробегает значений от до , где  — полный изоспин данного мультиплета, целое или полуцелое число. Эта закономерность очень похожа на квантование обычного спина: его проекция пробегает значений от  до , где число характеризует данную частицу, например, для электрона . Это одна из причин используемого для квантового числа названия «изоспин».

Есть и другие закономерности на картинке выше. Спин и внутренняя четность элементов гипермультиплета одинаковы. Массы частиц внутри мультиплетов почти одинаковы. Частица образует синглет, т.е. мультиплет из одного элемента (изоспин нуль), который накладывается на триплет ‑гиперонов (изоспин Подпись:  
Мюррей Гелл-Манн
единица. Наконец, электрические заряды частиц внутри гипермультиплета определялись по следующему закону:

Эта формула была открыта Мюррейем Гелл-Манном (род. 1929) и ныне носит его имя. Также есть и другие виды гипермультиплетов — например, декуплеты, содержащие десять частиц со спином . В 1964 году Гелл‑Манн (и независимо от него Джордж Цвейг) предположил, что законы организации адронов являются следствием их составного характера: адроны состоят из еще более мелких частиц которые также характеризуются наличием спина, изоспина, гиперзаряда и электрического заряда, который дается формулой выше. Чтобы описать все многообразие частиц, необходимо было предположить, что гипотетические частицы, которые он назвал кварками, должны были обладать спином и дробным электрическим зарядом. При этом получалось, что барионы (например, изображенный выше октет спина )  состоят из трех кварков, а мезоны — из кварка и антикварка. Первоначально кварковая модель Гелл-Манна предполагала существование трех видов (как говорят, ароматов) кварков:

Аромат
(символ)
f
Заряд
Q
Гиперзаряд
Y
Спин
(четность)
S(P)
Барионный
заряд
B
Странность
S
Изоспин
I
Проекция
изоспина
I3
Up (u) +2/3 +1/3 1/2(+) +1/3 0 1/2 +1/2
Down (d) -1/3 +1/3 1/2(+) +1/3 0 1/2 -1/2
Strange (s) -1/3 -2/3 1/2(+) +1/3 -1 0 0

Квантовое число странность было введено еще до Гелл‑Манна для описания странных частиц — например, упомянутых выше ‑гиперонов и ‑мезона. Эти частицы в ядерных реакциях рождались обычно парами, поэтому было предположено, что это поведение есть проявление неизвестного ранее закона сохранения — и ввели сохраняющееся квантовое число странность.

Дальнейшие исследования элементарных частиц выявили существование очень короткоживущего связанного состояния трех u-кварков — резонанса . Однако существованию такого состояния должен противостоять принцип Паули, точно так же, как давление вырожденного электронного газа не дает белому карлику сжаться и взорваться! Действительно, кварки обладают полуцелым спином, поэтому на них должен действовать принцип запрета Паули. Если же три идентичных u-кварка поместить в одну точку, то это нарушит запрет — поэтому кварки внутри ‑частицы будут эффективно отталкиваться. Это должно сделать ее гораздо более нестабильной, чем она является — или даже сделать ее энергетически невыгодным состоянием. Чтобы выйти из этого положения, Оскар Уоллис Гринберг (род. 1932) предположил существование у кварков скрытого квантового числа, которое может пробегать три значения, — цвета. Таким образом, внутри дельта-резонанса цвета всех трех u‑кварков различны, и эти три частицы не будут находиться в одном квантовом состоянии, даже если их сжать в одну точку.

Цвет — очень нетривиальное квантовое число: все наблюдаемые адроны, т.е. частицы, состоящие из кварков, имеют нулевой цветовой заряд. Это явление известно как (цветовой) конфайнмент — дословно, удержание цвета в глубине адронов. Именно цвет, по современным представлениям, есть заряд, благодаря наличию которого частицы могут участвовать в сильном взаимодействии, обмениваясь глюонами. Точно так же, как в электромагнитном взаимодействии участвуют системы, имеющие ненулевой суммарный заряд или состоящие из заряженных частиц. Вторая часть фразы весьма важна: нейтральный атом тоже взаимодействует с электрическим полем: он поляризуется, т.е. центр отрицательного заряда внутри атома сдвигается относительно центра положительного. Точно так же бесцветные частицы, состоящие из кварков, могут благодаря своей «цветовой поляризации» участвовать в сильном взаимодействии.

Вследствие цветового конфайнмента кварки не существуют в свободном состоянии при обычных условиях: как только кварк выбивают из адрона, его цветовой заряд рождает вокруг себя такое сильное глюонное поле, что энергии последнего хватает на рождение из вакуума новых кварков, с которыми выбитый кварк быстро соединяется в бесцветные частицы.

Еще одна особенность цвета — из-за которой и был избран этот термин — состоит в том, что бесцветное состояние может образовать как сложение цвета с антицветом (например, у мезонов, состоящих из кварка и антикварка), так и сложение трех различных цветов (протон, нейтрон,  ‑резонанс и другие барионы). Последнее напоминает то, как в RGB‑мониторах сложение красного, зеленого и синего цветов порождает ахроматическую смесь, неотличимую глазом от истинно белого цвета.

Наконец, связанные состояния кварков характеризует асимптотическая свобода: кварки глубоко внутри адронов практически не взаимодействуют, т.е. ведут себя как свободные. Лишь при попытке вылететь из адрона сильное взаимодействие напоминает о том, что кварки находятся «в клетке». Таким образом, асимптотическая свобода — эффективное ослабление сильного взаимодействия на малых расстояниях. Этот нетривиальный квантовый эффект в общем случае находит объяснение в рамках квантовой теории поля и считается одним из триумфов Стандартной модели. Несмотря на это, последовательного и полного объяснения цветового конфайнмента, отталкивающегося от самых основ кварк-глюонной теории, на сегодняшний день не предложено.

Внутренняя структура адронов была экспериментально обнаружена только в девяностых годах XX века. Перечислим несколько типичных экспериментов.

  1. Изучение структурных функций адронов. Структурные функции — это функции, определяющие распределение импульса внутри адрона. Они могут быть рассчитаны по взаимодействию адрона с другими частицами и зависят от энергии соударения. Ниже изображены структурные функции для протона при энергии соударения в системе центра масс, равной . Графики показывают, какая доля полного импульса протона приходится на те или иные партоны (составляющие протона) с импульсом . Отчетливо видно наличие двух компонент, соответствующих u- и d-кваркам, причем можно утверждать, что d-кварков примерно в 2 раза больше. Кроме того, в энергию-импульс протона вносят существенный вклад глюоны — настолько бурно сильное взаимодействие между кварками. С увеличением энергии столкновения число наблюдаемых кварков и глюонов, из которых состоит адрон, растет, так что трехкварковая модель есть только низкоэнергетическое приближение.

  2. Аннигиляция электрон-позитронной пары в адроны. Эта реакция протекает через рождение промежуточной кварк-антикварковой пары (см. рис. ниже). Кварки после своего рождения взаимодействуют через множество глюонов (бесконечно большое число), и это взаимодействие нельзя описать в терминах отдельных его актов — поэтому между глюонами и адронами изображена закрашенная область взаимодействия. Эта реакция замечательна тем, что ее сечение пропорционально квадрату произведения заряда электрона и кварка:

    где  — постоянная тонкой структуры (константа электромагнитного взаимодействия). Измерение сечения этой реакции при энергиях, достаточных для рождения пары кварка и антикварка определенных ароматов, позволяет определить их заряды (с точностью до знака). Дробность зарядов кварков подтверждается в этих экспериментах.

  3. Наблюдение струй при глубоконеупругом рассеянии. Электроном с дебройлевской длиной волны порядка расстояния между кварками вполне можно выбить один из них из адрона. При этом своим глюонным полем вылетевший кварк поляризует вакуум, из которого рождаются новые кварки, объединяющиеся в адроны. Все эти частицы образуются с большой отдачей импульса, переданной им родительским кварком, поэтому летят в малый раствор телесного угла. Такие адронные струи наблюдаются в эксперименте, что говорит о наличии одной породившей ее частицы, выбитой из адрона-мишени.

О кварковой структуре материи можно говорить очень долго, а асимптотическая свобода, цветовой конфайнмент и принципы, по которым кварки образуют адроны, вызывают философские ассоциации. Тем не менее, процессы между кварками, глюонами и их связанными состояниями являются предметом серьезной теории — квантовой хромодинамики (дословно, динамики цвета)— от которой уже не может быть отделен эксперимент. Суть преобразований и соображений, стоящих на пути от измеренных сечений реакций столкновений и превращений частиц к выводам о структуре и свойствах кварковой материи, порой трудно воспроизводима «на пальцах». Поэтому мы ограничились кратким упоминанием основных экспериментов в области хромодинамики.

<<К предыдущему эксперименту  |  Квантовая теория  |  К следующему эксперименту>>