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 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:

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>>