КВАРК-ГЛЮОННОЇ ВЗАЄМОДІЇ В КВАНТОВОЇ ХРОМОДИНАМИКЕ

Кварковая теорія добре описує можливі типи і відносна кількість елементарних частинок, народжуваних в вигляді «струменів» або «злив» на потужних прискорювачах. Тим більше було здивування фізиків, коли вдалося розрахувати величини імпульсів кварків в швидко рухається протоні при його розсіянні на інших протонах.

Сума імпульсів кварків становила всього близько половини повного імпульсу протона!

На підставі закону збереження імпульсу, який повинен виконуватися і в мікросвіті, довелося визнати, що, крім кварків, в складі протона повинні бути і інші частинки. Вони не мають електричного заряду, тому що не впливають на рух електронів при зондуванні протонів (див. Рис. 35), і не реагують з нейтрино. Нові частки були названі глюонами (від англійського glue), що означає клей.

Розвиток кварковой теорія показало, що саме глюони здійснюють зв'язування кварків в адрони - сильно взаємодіючі частки (див. Рис. 37). Глюони є частинками-квантами глюонного поля. У це поле виявляються «занурені» кварки, і воно утримує кварки від вилітання із складових елементарних частинок.

Пізніше було встановлено, що глюони несуть колірної заряд, як і кварки. На цій підставі їх іноді образно називають пофарбованими фотонами, оскільки вони відіграють для кварків ту роль, яку фотони грають по відношенню до електронів. На відміну від нейтральних по електричному і колірному зарядів фотонів, глюони можуть взаємодіяти не тільки з кварками, але і між собою.

Теорія кварк-глюонної взаємодії отримала назву квантової хромодинаміки, за аналогією з квантової електродинаміки (хромо в дослівному перекладі з грецької мови означає колір).

У квантової електродинаміки взаємодія вільних електронів між собою пояснюють за допомогою діаграми Фейнмана (рис. 38). Один з електронів випускає фотон і отримує імпульс віддачі (на макрорівні Ви можете відчути ефект віддачі при стрільбі з рушниці). Інший електрон поглинає фотон і отримує його імпульс, що призводить до відхилення траєкторії руху. Внаслідок тотожності електронів можна сказати, хто з них випускає, а хто поглинає віртуальний фотон.

Діаграма Фейнмана

Мал. 38. Діаграма Фейнмана

У квантовій хромодинамике взаємодія відбувається за допомогою передачі колірного заряду. Один з кварків випускає глюон і змінює свій колірний заряд (наприклад, з червоного на синій). Інший кварк поглинає глюон і теж змінює свій колір (з синього на червоний).

Щоб здійснити зміну двох кольорів, сам глюон повинен бути двоколірним. А саме, він повинен нести один колір і один ангіцвет.

Вище ми говорили, що сума колір + антіцвет дає нейтральне біле стан. Коли ж з білого стану несеться антіцвет, то повинен залишитися соответствущий йому колір. Тому глюон, одночасно несучи червоний і антісіній колірні заряди, залишає кварк в стані синього колірного заряду.

Кварків трьох кольорів відповідають вісім різних за колірним станів глюонів.

«Перефарбовування» кварків створює взаємодія з енергією, на багато порядків величини перевершує енергію ядерних сил і, гем більше, сил кулонівського взаємодії електричних зарядів. У табл. 9 наведені порядки величин енергії взаємодії на різних рівнях організації речовини.

Таблиця 9

Зіставлення енергій зв'язків

Рівні енергії в системі

енергія

взаємодії, еВ

усередині молекул

1

усередині атома

до 10 4

Всередині ядра атома

до 10 s

всередині нуклонів

до 10 23

Як видно за даними табл. 9, хромодінаміческіе сили кварк- глюонів взаємодій є найбільшими з усіх спостережуваних в даний час сил в природі. Їх енергія недоступна людині.

Три покоління фундаментальних частинок

Мал. 39. Три покоління фундаментальних частинок

Необхідно відзначити, що різні варіанти хромодінаміческого опису мікросвіту приводили до різним обмеженням на число поколінь фундаментальних частинок. Перевірку експериментом витримав варіант з трясучи поколіннями, наведеними на рис. 39.

Тут перше покоління частинок (що включає електрон) має найменші значення для мас входять до нього частинок, а покоління з Таон - найбільші. Проміжні значення спостерігаються для покоління частинок з мюонів.

Таким чином, система фундаментальних, дійсно елементарних частинок (найменших кубиків мікросвіту) складається з шести кварків і шести лептонів. З урахуванням античастинок загальне число частинок стає рівним 24. Такого мінімального різноманіття досить для побудови на більш високих масштабних рівнях складних систем з различающимися складами і властивостями.

Завершуючи короткий виклад результатів квантової хромодинаміки, відзначимо, що в її рамках не вдалося відповісти на питання: «Чому в природі спостерігаються саме дані значення мас, електричних і колірних зарядів фундаментальних частинок?». Кілька забігаючи вперед, скажімо, що на це питання дає відповідь теорія багатовимірних струн (див. Розділ хрестоматії до даної глави). Ідея пояснення полягає в тому, щоб не шукати ще один рівень сходи мікрочастинок речовини, що минає вглиб, а уявити наявний спектр фундаментальних частинок як різні прояви однієї загальної суті (рис. 40).

Моди стоячих хвиль на одній і тій же струні

Мал. 40. Моди стоячих хвиль на одній і тій же струні

В якості такої виступають замкнуті струни в багатовимірному (11 вимірювань!) Просторі. Різні варіанти стоячих хвиль на таких струнах, розміри яких мають порядок 10 34 м, виглядають в проекції на тривимірний простір як різні покоління фундаментальних частинок. Розгляд цієї проблеми ми продовжимо після обговорення в наступному розділі властивостей простору і часу.

 
Переглянути оригінал
< Попер   ЗМІСТ   ОРИГІНАЛ   Наст >