Суперсила

В типичном адроне (например, в протоне) три кварка постоянно обмениваются глюонами, изменяя свой цвет. Однако такие изменения не носят произвольный характер. Математический аппарат теории накладывает жесткое ограничение в виде очень важного правила, которому должна неукоснительно следовать эта “игра цветов”. В любой момент времени “суммарный” цвет трех кварков должен представлять собой сумму “красный + зеленый + синий”. Продолжая аналогию с реальным цветом, можно сказать, что комбинация цветов в адроне должна всегда давать белый цвет (смешение первичных цветов, красного, зеленого и синего, дает белый цвет). Итак, мы видим фундаментальную калибровочную симметрию “за работой”. Действие глюонных полей компенсирует внутренние изменения цветов кварков, неизменно сохраняя чисто белым цвет адрона.
Рис.20. Волшебная ручка с тремя указателями позволяет объяснить более сложную калибровочную симметрию, связанную с цветом кварков. Вращение ручки не сказывается на взаимодействии кварков (осуществляемом путем обмена глюона), но приводит к изменению цветов красного (R), синего (B) и зеленого (G) кварков.
Адроны могут состоять из пар кварк – антиквзрк. Это так называемые мезоны. Так как антикварк характеризуется антицветом, такая комбинация заведомо бесцветна (“белая”). Например, красный кварк в комбинации с антикрасным кварком образует бесцветный мезон. В этой схеме все лептоны также лишены цвета, поскольку не взаимодействуют с глюонным полем.
Квантовая теория цвета, или квантовая хромодинамика (КХД), великолепно объясняет правила, которым подчиняются комбинации кварков (первоначально, в 60-х годах, эти правила специально, ad hoc, вводились на каждый случай). С точки зрения КХД сильное взаимодействие есть не что иное, как стремление поддерживать абстрактную симметрию природы; в данном случае это сохранение белого цвета всех адронов при изменении цвета их составных частей. Стоит потребовать существования в природе такой абстрактной калибровочной симметрии, как неизбежно возникнут глюонные поля. Нам нет нужды измышлять их – они автоматически вытекают из математических выкладок.
Сильное взаимодействие имеет еще одну важную особенность, о которой пока не упоминалось Когда теория кварков только появилась, казалось, что произвести экспериментальную проверку ее не очень сложно. Необходимо лишь раздробить адрон на части и продемонстрировать составляющие его кварки Изолированный кварк должен сразу “бросаться в глаза”, поскольку его электрический заряд составляет либо 1/3 либо 2/3 заряда любой другой частицы.
С тех пор один за другим вступали в строй все более крупные ускорители, но “расщепить” адрон на составные части так и не удалось, и у физиков возникли сомнения в справедливости теории кварков. Действительно, коль скоро кварки существуют внутри протона, то должна же быть возможность выбить их оттуда при достаточно сильном соударении с протоном. Но даже при соударениях с энергией, многократно превосходящей его массу покоя, протон все равно никак не расщеплялся. При таких столкновениях появлялся лишь поток новых целехоньких адронов. Наблюдать отдельные кварки так и не удалось.
Альтернативная стратегия поиска кварков состояла в том, чтобы обратиться к самой природе. Если кварки существуют, то разумно предположить, что где-то они возникли в природе. Возможно, что при образовании вещества сначала появились кварки, из которых затем возникли адроны. Не исключено, что при этом нескольким кваркам не хватило партнеров и они в одиночестве блуждают во Вселенной. Но если эта гипотеза верна, то в результате анализа обычного вещества можно обнаружить эти одиночные кварки, все еще блуждающие где-то неподалеку.
Таким анализом решил заняться Уильям Фейрбэнк из Станфордского университета. „Он тщательно изучил небольшие образцы природных минералов, в частности ниобия, с целью выяснить, не содержат ля они частицы с электрическим зарядом 1/3 или 2/3. Для этого Фейрбэнк наблюдал за поведением образцов в сильном электрическом поле. Он повторял тщательные эксперименты на протяжении ряда лет и не раз сообщал о положительных результатах. В некоторых образцах, по утверждениям Фейрбэнка, присутствовали частицы с дробным электрическим зарядом. Однако аналогичные эксперименты в других лабораториях не подтвердили результатов Фейрбэнка и многие физики относятся к его сообщениям скептически. Означает ли это, что у физиков есть сомнения относительно существования кварков? Отнюдь! Растет убеждение, что кварки могут существовать только внутри адронов. Если так, то должен быть закон природы, запрещающий существование изолированных кварков. Когда мы пытаемся “извлечь” кварк из адрона, что-то должно препятствовать его полному удалению из адрона. Возможно, таким препятствием оказывается глюонное поле. Очевидно, кварки внутри адрона связаны столь крепко, что никакие силы в мире не в состоянии разорвать эти связи и освободить кварки. Физики говорят, что кварки навсегда “заточены” внутри адронов, и называют придуманное впоследствии объяснение этого факта проблемой конфайнмента, или удержания.
 
Суперклей
Главный вызов теории бросает проблема удержания кварков в рамках калибровочных полей. Если бы удалось создать отдельный кварк, то он обладал бы определенным цветовым зарядом – красным, зеленым или синим. Но поскольку кварки удерживаются внутри адронов, мы не наблюдаем первичных цветов, а только ! “белые”, бесцветные, комбинации. Если удержание постоянно, то это означает, что по каким-то причинам природа запрещает появление “голого” цвета. Действует своеобразная цензура. Это объясняет, почему могут существовать изолированные лептоны, а не кварки: дело в том, что лептоны бесцветны.
А что произойдет, если попытаться просто-напросто силой вытолкнуть кварк из адрона? Каким суперклеем он удерживается там так прочно, что никогда не освобождается?
Важный ключ к разгадке природы взаимодействия между кварками был получен в экспериментах на СЛАКе (о которых мы упоминали ранее) при бомбардировке протонов электронами очень высоких энергии. Результаты экспериментов свидетельствовали о том, что на коротких расстояниях взаимодействие ослабевает и кварки по существу ведут себя, как свободные частицы. Более содержательную информацию удается извлечь из свойств мезонов, в которых кварк и антикварк образуют связанную систему, напоминающую атом водорода. Исследуя возбужденные состояния атома водорода, можно сделать вывод, что, поскольку электрическая сила, действующая между протоном и электроном, подчиняется закону обратных квадратов, их взаимное притяжение быстро уменьшается с расстоянием. Аналогичные исследования возбужденных состояний мезонов свидетельствуют о прямо противоположной ситуации. Если две частицы удаляются на большое рас" стояние и переходят в состояние с более высокой энергией, взаимодействие между ними не ослабевает, а усиливается.
Из полученных результатов следует, что взаимодействие между кварками носит странный характер. Все известные взаимодействия ослабевают с увеличением расстояния, тогда как в случае сил, действующих между кварками, наблюдается обратная картина. Они ведут себя, как кусок резины, который сопротивляется растяжению тем сильнее, чем больше его растягивают, и становится свободным, когда концы сближаются. Другой аналогией может служить цепь – кажется, что кварки внутри адронов скованы цепями. Когда кварки находятся близко друг к другу, цепи не ощущаются, и кварки в узких пределах ведут себя свободно и независимо. Но стоит лишь одному из кварков предпринять “попытку к бегству”, как цепь натягивается и резко тянет его назад. Физики называют эту ситуацию заточением или удержанием кварков.
Как только идея удержания кварков получила всеобщее признание, возникла мысль, способна ли КХД объяснить его. Вычисления оказались чрезвычайно трудными, хотя и выявили ряд обнадеживающих моментов. С физической точки зрения удалось в общих чертах понять, каким образом взаимодействие между кварками усиливается с ростом расстояния.