XVI. Кварки и сильное взаимодействие

Узоры из адронов, которые мы наблюдали из окна поезда, оказались систематическими структурами, получившими название восьмеричный путь с легкой руки американского физика Мюррея Гелл-Манна, который ввел также понятие «кварки». Все адроны сделаны из кварков. Барионы состоят из трех кварков, а мезоны – из одного кварка и одного антикварка.

Свойства адронов определяются кварками, из которых они состоят, и тем, как кварки соединены сильным взаимодействием. Когда Гелл-Манн и русско-американский физик Джордж Цвейг впервые ввели идею кварков, все известные адроны расположились согласно узору из октетов и декуплетов, а пустые места в этих узорах были впоследствии заполнены экспериментально обнаруженными адронами. Положение адрона на «восьмеричном пути» связано с тем, из каких кварков он состоит и каким спином обладает.

Многие из короткоживущих адронов распадаются потому, что составляющие их кварки разлетаются, объединяясь в другие, более устойчивые комбинации.

Все эти рассуждения подводят нас к мысли о том, что лучшим доказательством существования кварков может служить прогнозирование существования новых адронов с определенным зарядом, спином, массой и другими свойствами. Становится ясно, что остров Адрон прочно связан с другой частью суши на юго-востоке. Остров Кварков – наш следующий пункт назначения.

Мы будем путешествовать на поезде – сильное взаимодействие доставит нас прямо туда, через внушительный железнодорожный мост. Как и электромагнитное взаимодействие, которое осуществляется посредством фотонов – частиц родом из Бозонии, сильное взаимодействие тоже переносится бозонами. Нужный нам бозон – поезд на железнодорожных путях – называется глюон. Он «склеивает» кварки вместе внутри адронов и протоны и нейтроны внутри ядер. Именно эта сила преодолевает электромагнитное отталкивание между протонами. Эквивалент электрического заряда для сильного взаимодействия носит название «цветной» заряд, хотя ничего общего с оптическим цветом не имеет. Существуют три «цвета» кварка, которые при смешивании могут накладываться, формируя белый цвет. Кварки, как и глюоны, имеют цветной заряд. По аналогии с КЭД для электромагнетизма, теория сильного взаимодействия называется квантовой хромодинамикой (КХД), и именно в КХД должны производиться все расчеты и предсказания свойств адронов и основных характеристик кварков и глюонов.

Используя КХД, можно вычислить важные свойства сильного взаимодействия, в частности закон его изменения с расстоянием. Можно получить информацию и о массах адронов. Эти массы в основном определяются энергией связи кварков и глюонов, а также поведением последних внутри адрона.

Сильное взаимодействие не только сильно, оно еще не слабеет с увеличением расстояния. Так, и электромагнитная сила, и гравитация падают по закону обратных квадратов: если два объекта отодвинуть друг от друга на расстояние вдвое больше первоначального, то гравитационная и электромагнитная силы уменьшатся в четыре раза. Но для сильного взаимодействия это не так.

Если мы начнем растаскивать два кварка, то сила взаимодействия между ними будет оставаться постоянной. При этом будет происходить постоянное накопление потенциальной энергии, и в какой-то момент ее окажется достаточно, чтобы породить новые кварк-антикварковые пары как бы «из ниоткуда».

Квантовый вакуум содержит маленькие «петли» частиц, то есть пары частиц и античастиц, подобные тем, с которыми мы встречались, наблюдая за магнитным моментом электрона. Превращение такой виртуальной пары в реальную пару кварк – антикварк может означать, что сильное взаимодействие должно усиливаться для коротких расстояний, и это уменьшает потенциальную энергию.

Таким образом, эти пары частиц действительно могут спонтанно рождаться с позволения квантовой механики, поскольку этот процесс понижает напряженность поля. Этот вывод очень странный и одновременно важнейший: дело в том, что эти новые частицы потом «прилипают» к первоначальным кваркам, создавая, таким образом, новые адроны. Другими словами, вы вкладываете так много энергии для того, чтобы разделить кварки, что в конечном итоге ее хватает и для того, чтобы сделать еще больше кварков. Результат нас несколько огорчает, ведь мы-то хотели изолировать кварки друг от друга.

По мере сближения двух кварков сила взаимодействия между ними уменьшается. Это происходит, когда мы двигаемся на восток через остров Адрон, в сторону увеличения энергии – вспомните: более короткие расстояния означают более высокую энергию. Земля Атома характеризуется энергией связи порядка нескольких тысяч эВ. Энергии ядерной связи на западном побережье острова Адрон в тысячи раз выше – это многие миллионы эВ.

Находясь среди адронов и продвигаясь на восток, мы достигли важного рубежа на энергетической шкале – около 200 млн эВ. Именно здесь мы пересекаем мост между островом Адрон и островом Кварков.

Вблизи этой энергетической шкалы, которую местные жители странно именуют Лямбда-КХД, физика коренным образом меняется. В северо-западной стороне кварки фактически невидимы, при попытке их разделить они все равно остаются скрытыми внутри адронов из-за процессов рождения новых пар, о которых мы говорили раньше. Но на юго-востоке уровень энергии повышается так сильно, что мы начинаем различать кварки внутри адронов, наблюдать эти частицы в их естественной среде обитания. И мы видим, что они передвигаются довольно свободно, потому что очень близки друг к другу, и сила трения между ними относительно слаба. По мере нашего движения дальше на восток энергетическая шкала уже переваливает и за Лямбда-КХД. Сильные взаимодействия оказывают все меньшее влияние, и мы можем начать исследовать остров Кварков еще более детально.