XVII. Жизнь по ту сторону моста

Остров Кварков – загадочное место. Поскольку кварки нельзя изолировать, их нельзя непосредственно зарегистрировать детектором. Поэтому возникает вопрос: откуда мы знаем, что они вообще есть? Узоры «восьмеричного пути» адронов, которые мы видели, убедительны, но нужны и другие доказательства. Элементы этого «восьмеричного пути» действительно имеют смысл в физике частиц или это всего лишь удобный математический трюк?

Коль скоро мы очутились на острове Кварков, рассмотрим два важных способа, которые помогают непосредственно подтвердить существование кварков и глюонов, а также предсказать их поведение. Первый способ такой: в столкновительных процессах частиц высоких энергий рождаются адронные «струи» – потоки адронов, которые движутся вместе строго в одном направлении. Они образуются довольно часто, когда сталкивающиеся пучки частиц обладают энергиями гораздо бо́льшими, чем в Лямбда-КХД (то есть, по нашей карте далеко на востоке от этих областей).

Такие струи видны, например, когда электроны и позитроны сталкиваются и аннигилируют при достаточно высокой энергии, порождая кварки и антикварки. В КХД – теории сильного взаимодействия – струи интерпретируются следующим образом. Пары кварков и антикварков разлетаются друг от друга, унося кинетическую энергию первоначальной пары столкнувшихся электрона и позитрона. Во-первых, они очень близки друг к другу и, следовательно, КХД-взаимодействие между ними довольно слабое. Кварк и антикварк будут вести себя как свободные частицы. Однако очень скоро начнет ощущаться влияние сильного взаимодействия. Как мы помним, всякий раз, когда кварки пытаются убежать друг от друга, потенциальная энергия их взаимодействия увеличивается, что приводит к рождению еще большего количества кварков и антикварков. Этот процесс может происходить несколько раз, каждый раз отводя часть энергии исходных кварков и производя больше кварков и антикварков. В конце концов формируются две струи, или джета, из большого числа кварков и антикварков, которые расходятся друг от друга, примерно следуя направлениям первоначального кварка и антикварка. Внутри этих струй кварки перемещаются достаточно близко друг к другу и поэтому могут связываться и образовывать новые адроны.

Конечным результатом такого процесса обычно являются два адронных джета: один соответствует кваркам, другой – антикваркам. Эти струи адронов будут коллимированы примерно в направлении первоначальных кварка и антикварка. Энергии и направления исходных кварка и антикварка могут быть вычислены в теории КХД, и результаты этих расчетов хорошо согласуются с измерениями джетов. Такое соответствие теории и эксперимента – убедительное доказательство того, что кварки действительно существуют. Приятно осознавать, что мы движемся в правильном направлении.

Наблюдения струй доказывают и существование глюонов. В некоторых электрон-позитронных столкновениях образуются три джета. Впервые это было замечено на ускорителе PETRA в лаборатории DESY в Гамбурге. Присутствие этих трех джетов ожидается в КХД и связано как раз с глюонами. Происходит следующее: почти сразу же после того, как образуются кварк и антикварк (и в то время, пока они еще свободны!), либо кварк, либо антикварк испускают глюон, обладающий высокой энергией. Подобно кваркам, глюон тоже улетит и со временем превратится в адронный джет. Как и в случае с кварками, свойства этих джетов могут быть рассчитаны в КХД, и прогнозы тоже согласуются с экспериментальными данными. Все это служит убедительным доказательством того, что глюоны тоже реальны, даже если они никогда и не могут быть изолированы.

Есть и еще одно доказательство существования точечных кварков внутри адронов, не связанное с результатами столкновительных экспериментов по рассеиванию электронов на протонах при высоких энергиях. Пучок электронов может быть запущен в стационарную мишень, как это было сделано в первых экспериментах в Стэнфорде в Калифорнии. Или пучок электронов можно столкнуть со встречным пучком протонов для получения еще более высокого разрешения. В любом случае, эксперимент действует как микроскоп сверхвысокого разрешения, который способен зондировать внутренние структуры протона, к сожалению, разбивая его на осколки в таком процессе. Огромное количество энергии и импульса передается между электроном и протоном, обычно с помощью обмена фотоном. Как обычно, энергия и импульс определяют длину волны фотона и, следовательно, разрешение микроскопа. Когда энергия велика, то длина волны мала и поэтому разрешение хорошее.

При низких значениях энергии, гораздо ниже критической шкалы Лямбда-КХД, микроскоп видит протон целиком. Именно это произойдет, если мы проведем эксперимент на острове Адрон. По мере увеличения энергии длина волны фотона уменьшается, и становятся видны все более мелкие части протона. Из-за этого вероятность фактического попадания электрона по протону падает довольно быстро.

Однако в первом эксперименте в Стэнфорде и позже в других экспериментах стало ясно, что начиная с некоторого момента при энергиях, значительно превышающих порог Лямбда-КХД, вероятность рассеяния перестает падать так быстро. На самом деле, если принять во внимание тот факт, что длина волны фотона продолжает уменьшаться с ростом энергии, станет ясно, почему вероятность рассеяния становится почти постоянной. Вот что произойдет, если мы проведем эксперимент сейчас, на острове Кварков. Именно так складывается ситуация, если внутри протона имеются крошечные точечные кварки. Кварки уже бесконечно малы, так что даже при сокращении длины волны мы не сможем увидеть их более мелкие части.

Ситуация во многом напоминает ту, с которой столкнулся Резерфорд при попытке обнаружить ядро с помощью альфа-частиц на острове Атома, оставшемся на западе. Удивительно большое количество электрон-протонных рассеяний при высоких энергиях аналогично соударениям альфа-частиц с золотой фольгой – то, что в свое время так поразило Резерфорда и его коллег.

Из наблюдений, подобных этому, а также помня рисунок «восьмеричного пути», мы знаем, что протоны состоят из двух кварков, которые несут две трети электрического заряда протона, и одного кварка, несущего одну треть. Однако внутренняя структура протона гораздо более сложная, чем просто сидящие рядом три кварка. Кварки связаны вместе в небольшом пространстве сильным взаимодействием, а это означает, что они лихорадочно обмениваются глюонами. На самых коротких расстояниях, которые еще доступны нашим наблюдениям, протон представляет собой сложный объект, содержащий множество точечных кварков и глюонов; процессы их взаимодействия сопровождаются испусканием глюонов. В некотором смысле поразительно, что протон так стабилен. Однако он действительно очень стабилен – если протоны когда-нибудь и распадаются, то мы этого никогда не видели, несмотря на очень усердные поиски.