Материал: Єдині теорії взаємодій

Кварки, що визначають основні фізичні властивості суб’ядерних частинок, називають валентними. Окрім валентних кварків, до складу адронів входять віртуальні пари частинок - кварк-антикварк, які випромінюються і поглинаються глюонами за дуже короткий час. Віртуальні пари кварків одержали назву кварків моря, або морських кварків. Таким чином, у структуру адронів входять валентні та морські кварки і глюони.

4.2 Колір кварків

З ряду міркувань, зокрема для усунення протиріччя з принципом Паулі, було введено поняття нового квантового числа - «кольору» кварків. Цей термін не має нічого спільного із загальноприйнятим значенням цього слова. За кольори домовилися брати червоний, синій і зелений. Суміш цих “кольорів” дає “нульовий” або білий колір (мал. 3). Антикварки несуть доповняльні кольори - античервоний, антисиній, антизелений (мал. 4). Колір є одним із квантових чисел, що ним характеризуються кварки та глюони.

На прикладі баріонів розглянемо необхідність такого квантового числа детальніше. Так, протон містить два u -кварки та один d -кварк(р=ии d). Тому що всі кварки ферміони, а принцип Паулі забороняє знаходження в тотожних станах більше одного ферміони, u -кварки повинні чимось відрізнятись.

Малюнок 3. Кольори кварків (червоний, зелений, синій) в комбінації дають безколірний баріон <#"804104.files/image115.gif">

Малюнок 4. Кольори антикварків (античервоний, антизелений, антисиній) у комбінації також дають безколірну античастинку <#"804104.files/image116.jpg">= ddd, = иии,=sss. Саме тому квантова хромодинаміка приписує кваркам властивість, якої немає в елементарних частинках - колір. Безколірність елементарних частинок досягається двома шляхами - компенсацією кольору антикольором, як у мезонів, наприклад, =,або сумішшю усіх трьох кольорів, як у баріонів, наприклад, n=.

Взаємодія між кварками здійснюється глюонами, що переносять квантову характеристику - колір та антиколір, наприклад, с-синьо-антизелений, с-безколірний та інші комбінації. Усі 8 глюонів рівноправні.

4.3 Особливості сильної взаємодії

Особливістю сильної взаємодії є те, що глюони мають кольорові заряди і взаємодіють між собою. Це приводить до кардинальних змін картини силових ліній глюонного поля, порівняно, наприклад, з електричним. Відповідна картина силових ліній електричного поля точкового заряду наведена на рис.5а. Видно, що у випадку електромагнітної взаємодії силові лінії розводяться від їх джерела - електричного заряду. Це пов’язано з тим, що віртуальні фотони, які випромінюються джерелом, не взаємодіють один з одним. У випадку сильної взаємодії замість ліній, що розходяться, ми одержуємо джгут силових ліній, що протягнутий між кварком і антикварком (рис.5б). все ж найцікавіше є те, що глюони стають джерелом нових глюонів, кількість яких збільшується при віддалені від кварка. Така картина взаємодії відповідає залежності потенціальної енергії взаємодії між кварками від відстані між ними, зображено на рис.6.

Рисунок 5. Схеми силових ліній електричного поля точкового заряду (а), глюонного поля між кварком і антикварком (б), а також схема розриву джгута при його значному розтягуванні (в)

Рисунок 6. Залежність потенціальної енергії взаємодії кварка з антикварком від відстані між ними

До відстані Rсм, залежність U(R) має лійкоподібний характер. При цьому сила взаємодії між кольоровими зарядами вданій області відстаней відносно невелика, так що кварки при Rсм в першому наближенні можна розглядати як вільні, не взаємодіючі частинки. Це явище має назву асимптотичної вільності кварків. Однак при R, яке є більшим від деякого критичного (см), величина потенціальної енергії взаємодії U(R) стає прямо пропорційною відстані між кварками. Звідси безпосередньо випливає, що сила яка зв’язує кварки F=-dU/dR=const, не залежить від R. Таким чином, сили, які діють між кварком і антикварком, починаючи з  перестають залежати від відстані, залишаючись на рівні величини, близької до 20 т. Ніякі інші взаємодії, які фізики вивчали раніше, не мали такої незвичайної властивості.

На відстані R см кольорові сили більші ніж в разів перевищують електромагнітні. Якщо ж порівняти кольорові сили з ядерними взаємодіями між протоном і нейтроном у середині атомного ядра, то виявляється, що вони є у тисячі разів більшими. Таким чином, перед фізиками відкрилася нова грандіозна картина кольорових сил у природі, що на багато порядків перевищують більш досліджені ядерні сили.

При великих відстанях джгут силових ліній рветься, оскільки енергетично вигідніше утворити розрив із народженням кварк-антикваркової пари частинок. Це відбувається, коли потенціальна енергія в місці розриву є більшою, ніж маса спокою кварка і антикварка. Процес розриву джгута силових ліній глюонного поля показано на рис.5в.

При високих енергіях джгут силових ліній, що виникає між кварками, може бути розірваним відразу в багатьох місцях, утворивши безліч q-пар, тобто безліч мезонів (рис. 5в).

Такі якісні уявлення про народження пари кварк-антикварк дозволяють зрозуміти, чому поодинокі кварки взагалі не спостерігаються в природі. Як ми бачимо, кварки навіки заточені усередині адронів. Це явище не вилітання кварків називається конфайментом (від англ. comfinement - полонення, ув’язнення).

4.4 Будова адронів

Розглянемо докладніше будову легких адронів - мезонів. Вони побудовані з одного кварка і одного антикварка. Надзвичайно важливо, що обидва партнера пари мають при цьому одноковий кольоровий заряд і такий самий антизаряд, так що їх пари незалежно від ароматів кварків не має кольору.

У таблиці 5 наведені деякі парні і більш складні комбінації кварків з зазначенням, яким відомим адроном це поєднання кварків відповідає.

Таблиця 5

Кварковий склад деяких адронів

Як ми бачимо, таблиця 5 починається з піонів, які мають спін J=0. Вони є квантами поля, що забезпечує взаємодію між нуклонами. Заряджені піони живуть близько  с, розпадаючись на лептони за такими схемами:

+ і +.

Причина розпаду заряджених піонів обумовлена слабкою взаємодією, а саме тим, що кварки, з яких побудована частинка, здатні випромінювати і поглинати в результаті слабкої взаємодії на короткий час віртуальні калібрувальні бозони: ud+. На відміну від лептонів здійснюється також переходи кварка одного покоління в кварк іншого покоління, наприклад, u, або u, хоча такі переходи відбуваються набагато рідше, ніж переходи в рамках одного покоління. При всіх таких перетвореннях електричний заряд у реакції зберігається.

Їх родичі в табл.5- резонанси , мають на відміну від піонів спін J=1, вони нестабільні і живуть всього близько  с. Причина розпаду ,резонансів - сильна взаємодія.

З найбільш вивчених у наш час мезонів і мезонних резонансів найчисленнішу групу складають легкі неароматні частинки, у яких квантові числа S= C= B= 0. До неї входить близько 40 частинок.

Дослідження мезонів, що містять s- і c-кварки, привело до відкриття декількох десятків дивних і чарівних частинок. Їх дослідження проводиться і зараз у багатьох наукових центрах світу.

Розглянемо тепер важкі адрони, тобто баріони. Всі вони складаються з трьох кварків, але таких, у яких є всі три різновиди кольорів, оскільки так само, як і мезони, всі баріони безбарвні. Кварки усередині баріонів можуть мати орбітальний рух.

Баріонами з мінімальною масою є протон p і нейтрон n (див. табл.5). Але якщо спін цієї комбінації кварків J=3/2, утворюються резонанси  і відповідно. Всі інші баріони складаються з важких s-, b-, t- кварків і тому мають істотно більшу масу. Вони одержали назву гіперонів. Серед цих частинок особливий інтерес викликає - гіперон, що складається з трьох дивних кварків. Він був відкритий спочатку на папері, тобто в результаті розрахунків з використанням ідей кваркової будови баріонів. В результаті були передбачені всі основні властивості цієї частинки. В подальшому розрахунки були підтверджені експериментально.

Досить довго вважалося, що в природі існують тільки адрони, які складаються з двох або трьох кварків. Але у 1997 р. Д. Д’яконов, В. Петров та М. Поляков теоретично передбачили існування п’ятикваркової частинки uud. Експериментально вперше цю частинку зареєстрували Н. Накано і його колеги з лабораторії Spring-8 у Осаці (Японія). П’ятикваркові частинки  з масою 1,54 ГеВ народжувалися в реакції +=++n і були ідентифіковані за резонансом в енергетичному спектрі - мезонів. В подальших експериментах, що були виконані в 2003 р. в Інституті теоретичної і експерементальної фізики (ІТЕФ, Росія) та в лабораторії ім. Т. Джеферсона(США), ці результати були підтверджені. Проте залишається деяка ймовірність того, що знайдений в описаних експериментах п’ятикварковий стан є не адроном, а молекулярним мезон-баріонним резонансом. Однак більшість вчених вже зараз не сумніваються, що у найближчому майбутньому буде відкритий цілий клас нових суб’ядерних частинок, що складаються більш ніж з трьох кварків.

Сьогодні існує багато експериментальних фактів, що переконливо свідчать про існування кварків. Зокрема, йдеться про відкриття нового процесу в реакції зіткнення електронів і позитронів, що приводить до утворення кварк-антикваркових струменів. Схема цього процесу наведена на рис. 7. На рисунку стрілками показані напрямки пучків позитронів і електронів , а з точки їх - вилітання кварка q і антикварка  під деяким кутом . Таке народження пари відбувається в реакції +q+.

Це явище пояснюється так. Джгут силових ліній взаємодіючих кварків при достатньо великому розтягуванні рветься на частинки. При великій енергії кварка і антикварка струна рветься в багатьох місцях, внаслідок чого в обох напрямах уздовж лінії польоту кварка q і антикварка , як це показано на рис.7, утворюються два вузькі пучки вторинних безбарвних частинок - мезонів.

Рисунок 7. Схема виникнення двох кваркових струменів у реакції між електроном і позитроном

Такі пучки частинок одержали назву струменів. Досить часто на досліді спостерігається утворення трьох, чотирьох і більше струменів частинок одночасно. Оскільки струни одновимірні, то центри утворення струменів також розміщуються уздовж прямої лінії.