Глава 2. Взаимодействие между кварками.

2.1. Квантовая хромодинамика

Взаимодействие между частицами согласно релятивистской теории происходит всегда таким образом, что одна из них создает вокруг себя некоторое поле, которое в свою очередь взаимодействет со второй частичей. Благодаря этому возникает эффект запаздывания во взаимодействии. С каждым полем связаны определенные частицы - кванты этого поля. Поэтому взаимодействие между телами посредством поля означает в квантовой теории обмен частицами поля между телами: первое тело испускает частицу поля, а второе тело поглощает ее; и обратно, второе тело испускает частицу, а первое - поглощает ее. Простейшим примером является электромагнитное взаимодействие между двумя электронами. В этом случае один из электронов создает вокруг себя электромагнитное поле, которое воздействует на второй электрон. С электромагнитным полем связаны частицы фотоны. Поэтому взаимодействие между электронами сводится к обмену между ними фотонами.

Взаимодействие между кварками в адронах также носит обменный характер и осуществляется путем обмена между кварками особыми частицами - глюонами, представляющими собой кванты сильного поля, порождаемого кварками. Эти частицы, как бы "склеивают" кварки и антикварки в адронах, и отсюда происходит их название (glue - "клей"). Таким образом, при взаимодействии двух кварков один кварк испускает глюон, а другой - его поглощает. Возникновение глюонных полей связано с существованием цветовой SU(3)c - симметрии. "Склейка" кварков происходит потому, что и кварки и глюоны несут на себе особый "склеиватель" - цветовой заряд. Следует ввести три цветовых заряда (в действительности независимых из них только два). Следуя Х.Джорджи, обозначим их R-G("красный" минус "зеленый"), G-B("зеленый" минус "синий"), B-R("синий" минус "красный"). Величина каждого заряда может принимать три значения 1/2, -1/2, 0. Каждый кварковый цвет имеет свою комбинацию зарядов, например для красного кварка: R-G=1/2, G-B=0, B-R=-1/2. Сумма всех зарядов для каждого кварка равна нулю. Цветовые заряды антикварков противоположны по знаку цветовым зарядам кварка. Связь между кварками с помощью глюонов(G) можно изобразить: r g b

r G1+G2 G G

g G G1+G2 G

b G G G1+G2

В каждом таком процессе взаимодействия выполняется закон сохранения цветового заряда (каждого сорта). Например, красный кварк с зарядом R-G=1/2, испуская глюон с зарядом R-G=1, превращается в зеленый кварк с зарядом R-G=-1/2. Бесцветные глюоны служат для того, чтобы обеспечить взаимодействие кварков одинакового цвета. Казалось бы, их нужно иметь три (красный-красный, зеленый-зеленый, синий-синий), но в действительности достаточно только двух бесцветных глюонов (они обозначены G1,G2), так что имеется восемь глюонов (цветовой октет глюонов).

Аналогия между глюонами и фотоном очень велика - как фотон, так и глюоны безмассовы и спин и фотона, и глюона равен единице. Электрически и фотон, и глюоны нейтральны, но в отличие от фотонов глюоны несут специфический цветовой заряд. Так как масса глюонов равна нулю, то радиус взаимодействия кварков, обусловленного обменом глюонами, равен бесконечности, но размеры кварковых систем очень малы(порядка 10E-13 см). Как это происходит - до конца пока не известно (проблема "конфаймента"). В отличие от взаимодействия, обусловленного обменом фотонами и приводящего к отталкиванию между электронами и притяжению между электроном и позитроном, взаимодействие, обусловленное обменом глюонами, приводит всегда к притяжению - как кварка кварком, так и кварка антикварком.

Суммарные цветовые заряды мезонов и барионов (с учетом как кварков, так и глюонных связей между ними) всегда равны нулю. Иными словами, адроны - нейтральные системы в смысле цветового заряда, так же, как атомы - нейтральные системы в смысле электрического заряда. Если бы адрон был цветным(а не белым), то он обладал бы нескомпенсированным цветовым зарядом, а так как цветовой заряд является источником глюонного поля, то цветной адрон был бы окружен глюонным полем и его энергия была бы очень большой. По этой причине цветные адроны и не наблюдаются.[5]

2.2. Ядерный скейлинг и суперскейлинг

Нуклон, как уже было сказано, состоит из трех разноцветных кварков, не обладающих странностью, шармом и т.д. По современным представлениям, в нуклоне есть еще целое море так называемых морских кварков и антикварков, порождаемых из вакуума глюонами со всеми возможными квантовыми числами. Так вот суперскейлинг, по-видимому, означает, что формы структурных функций, описывающих валентные и морские кварки в ядерной материи, совпадают. На языке термодинамики можно говорить про их равную температуру.

Выходы частиц так же как во всех пдобных изученных случаях, демонстрируют другие интересные закономерности. Выходы K+- и p+-мезонов при одинаковых значения a одинаковы. Есть иерархия выходов, и она такова, что участие в составе вылетающей кумулятивной частицы кварков из кваркового моря ядра уменьшает вероятность образования соответствующей частицы пропорционально числу морских кварков (антикварков, странных кварков). Так, в пионах один валентный кварк и один антикварк из моря; в K+-мезоне также, только из моря взят странный антикварк, в K--мезоне два морских кварка (странный кварк и антикварк), в антипротоне три антикварка, в протоне три валентных кварка. Видно, как логично интерпретируются данные о суперскейлинге на кварковом языке, и это одно из свидетельств наличия кварковых степеней свободы в ядрах.[2]

Глава 3. Развитие кварковой теории в будущем.

3.1. Кваркглюонная плазма

Квантовохромодинамические расчеты показывают, что при определенных температурах и плотностях ядерного вещества оно может перейти в новое состояние - кваркглюонную плазму. Можно построить график таким образом, что свойства флуктонов - температура, если за ее меру считать наклоны спектров кумулятивных частиц, и плотность, если считать его размеры равными размеру нуклонов, - таковы, что флуктон может быть капелькой кваркглюонной плазмы. Кваркглюонная плазма (КГП) - такое состояние вещества, где нет индивидуальных нуклонов, нет отдельных многокварковых мешков. Не исключено, что КГП в природе может быть в очень плотных астрономических объектах и, вероятно, реализовалась в момент первичного взрыва.

Сегодня поиски КГП - заманчивая задача многих экспериментаторов в мире. Строятся большие установки, создаются ускорители тяжелых ионов на большие начальные энергии. Идея состоит в том, чтобы при столкновении тяжелых ионов, то есть многих нуклонов, образовалось в области столкновения как можно больше p-мезонов, которые и могут перейти при соответствующих условиях в КГП. Мы не знаем, случится ли такое. Пока при освоенных энергиях убедительного проявления КГП при столкновениях ионов не обнаружилось. Может быть, изучение свойств флуктонов, подаренных природой плотных образований, позволит изучать КГП в краткие моменты существования флуктуаций.