Красота физики. Постигая устройство природы - Фрэнк Вильчек

Чтобы учесть это поведение, нам, похоже, нужны связи между кварками, похожие на пружину или резинку, которые тянут кварк тем сильнее, чем больше растягивается связывающая пружина или резинка при увеличении расстояния. Пружины и резинки, конечно, сами по себе являются сложными физическими объектами, поэтому недопустимо предполагать их наличие в фундаментальной теории. И если мы все же так делаем, возникает вопрос: из чего сделана эта пружина?

Физики привыкли, что фундаментальные силы становятся слабее с расстоянием, как это происходит с гравитационными и электромагнитными силами, и поэтому конфайнмент оказался большой проблемой. Многие физики так не смогли заставить себя отнестись к кваркам серьезно именно из-за этого.

Уравнения Максвелла для электродинамики, уравнения Ньютона (и затем Эйнштейна) для гравитации и уравнения Шрёдингера (и затем Дирака) для атомной физики установили высокие стандарты красоты, ясности и точности. Ни сложные уравнения (а в сущности – таблицы), описывающие ядерные силы, ни общие идеи кварковой модели даже близко не подошли к этим стандартам.

И все же красивые, ясные, точные уравнения для сильного взаимодействия существовали. Они пролежали без дела много лет, прежде чем мы смогли их использовать. Это уравнения, которые основываются на уравнениях Максвелла и воплощают те представления, которые мы набросали в первой части этой главы.

Почти 20 лет прошло между формулировкой этих уравнений Янгом и Миллсом и появлением квантовой хромодинамики как их воплощения в реальности. Эта история – ошеломляющий пример соотношения

В сфере сильного взаимодействия не может быть сомнений, что ответ на наш Вопрос

прост:

Квантовая хромодинамика (КХД) использует идеи и уравнения, которые являются грандиозным обобщением уравнений Максвелла для электромагнетизма, расширенным, чтобы включить еще больше симметрии. Мне нравится говорить, что КХД (QCD) выглядит как квантовая электродинамика (КЭД, QED) на стероидах.

В КЭД есть один вид заряда – электрический заряд. Он может быть положительным, как у протонов, или отрицательным, как у электронов, но в любом случае мы определяем его количество при помощи всего одного числа (положительного или отрицательного). А вот КХД содержит целых три вида заряда. Они без какого-либо серьезного основания были названы цветами; для определенности будем называть их красным, зеленым и синим.

В КЭД есть одна частица, переносящая взаимодействие. Это фотон, который отвечает на электрический заряд. А в КХД содержится сразу восемь частиц-переносчиков взаимодействия, названных цветными глюонами. Два из них, подобно фотону, отвечают на цветовой заряд. (А почему не три? Это объясняется в следующем абзаце.) Остальные шесть обеспечивают преобразования из одного цвета в другой. Таким образом, есть глюон, который превращает единицу красного заряда в единицу зеленого заряда, другой превращает единицу зеленого заряда в единицу синего заряда и т. д.

Правило отбеливания – это красивая особенность КХД, которая физически важна, которую довольно легко сформулировать и очень легко продемонстрировать математически, но трудно мотивировать интуитивно. (По крайней мере я не нашел для этого хорошего способа.) Согласно правилу отбеливания, результирующий эффект от наличия единицы красного заряда, единицы зеленого заряда и единицы синего заряда в одном и том же самом месте – нулевой: они взаимно гасятся. (Для экспертов: здесь я предполагаю, что они находятся в антисимметричной конфигурации.) Это смутно напоминает то, как три спектральных цвета (красный, зеленый и синий) могут сложиться и дать нейтральный белый – отсюда и термин «отбеливание» – хотя, конечно, физика этих процессов абсолютно различна. Именно из-за правила отбеливания, которое делает одну комбинацию зарядов бессильной, мы получаем только два, а не три вида глюонов, отвечающих на цветовой заряд.

Каждый кварк переносит одну единицу цветового заряда. Цвет кварка – это независимое свойство, которое мы должны указать в дополнение к таким свойствам, как электрический заряд или масса, и оно никак не менее важно. Однако в отличие от электрического заряда или массы цвет кварка – это не одно число, а три. Точнее сказать, он кодирует позицию в трехмерном пространстве свойств. Существование этих новых видов заряда – основа КХД. Этот факт настолько существенный, настолько красивый и настолько важный для более поздних разработок, что мы просто обязаны сделать обзор его оснований в реальности.

Кварки впервые удалось «увидеть» в экспериментах, проведенных Джеромом Фридманом, Генри Кендаллом и Ричардом Тейлором на Стэнфордском линейном ускорителе в конце 1960-х. В сущности они делали снимки «внутренностей» протонов. При использовании (виртуальных) фотонов очень высоких энергий они смогли достичь хорошего разрешения для очень маленьких расстояний и времен.

Те «снимки» очень многое прояснили! В ретроспективе особенно выделяются три наблюдения.

Протоны содержат кварки. Поскольку снимки были сделаны с использованием фотонов, они смогли запечатлеть распределение электрического заряда в протоне. Они показали, что электрический заряд сконцентрирован в очень маленьких, точечных структурах, а не рассредоточен по ядру. Потрясающее повторение открытия Резерфорда и Гейгера – Марсдена – но теперь уже внутри протона, а не внутри атома! Количество заряда в этих точечных структурах, а также другие свойства совпали с ожиданиями кварковой модели.

В протонах кварки почти свободны. Большинство снимков показывает три кварка и больше ничего, причем позиция каждого кварка оказывается почти не зависимой от позиций других. Отсюда делается вывод, что в пределах протона взаимодействие между кварками слабо. В то же время множество других экспериментов указывают на то, что кварк никогда не покидает протон как отдельная частица. Таким образом, нам нужна сила, которая относительно слаба на коротких расстояниях, но становится мощной на больших расстояниях. Основной парадокс динамики сильного взаимодействия, который мы упоминали ранее, становится высеченным в камне.

Протоны – это гораздо больше, чем просто три кварка. Несколько снимков запечатлели следы дополнительных кварк-антикварковых пар. Это не так уж удивительно: поскольку в протонах запасено много энергии, а кварки обладают очень маленькой массой, создать их столь же легко, как написать формулу m = E/c2 – с очень маленькой m!

Но важнее то, чего не было замечено на снимках. Если сложить всю энергию движения кварков, определенную из наблюдений, получится только около половины той величины, которая составляет полную массу протона. Поскольку фотоны слепы к электрически нейтральным частицам, очевидная интерпретация состоит в том, что в протонах есть некий значительный электрически нейтральный компонент в дополнение к электрически заряженным кваркам. Эта микрокосмическая проблема «темной материи» была первым указанием на то, что протоны – это намного больше, чем просто три кварка. Как мы вскоре увидим, этот недостающий ингредиент представлен цветными глюонами.