Красота физики. Постигая устройство природы - Фрэнк Вильчек

Последующие эксперименты при более высоких энергиях показали другой, ярко осязаемый аспект реальности кварков и глюонов. Чтобы увидеть его, рассмотрите, пожалуйста, теперь вклейку NN.

Чтобы описать, что появляется в результате ультравысокоэнергичных столкновений, будь то столкновения электронов с позитронами (как на вклейке NN) или протонов с протонами (как на Большом адронном коллайдере в CERN), проще всего представить, будто мы произвели кварки, антикварки и глюоны – даже при том, что эти частицы не «существуют» (они находятся в состоянии конфайнмента), – и идти от этого к тому, что мы фактически наблюдаем. (Совсем скоро это станет кристально ясно.)

Дело в том, что быстро движущийся кварк, антикварк или глюон материализуются в лаборатории в виде струи адронов, которые движутся почти в одном и том же направлении. Полная энергия и импульс частиц в струе составляют вместе исходную энергию кварка, антикварка или глюона, с которого началась струя, потому что энергия и импульс сохраняются. Поэтому, если мы готовы подсматривать, «идя вместе с потоком», т. е. следить за его энергией и импульсом, забывая, что они поделены среди многих адронов, мы можем увидеть лежащие в основе фундаментальные частицы. Это очень полезно для интерпретации результатов, поскольку мы можем намного лучше предсказывать рождение кварков, антикварков и глюонов, которые повинуются простым уравнениям, чем рождение адронов, которые гораздо сложнее устроены.

Если вы поедете на конференцию по физике высоких энергий в наши дни, то вы услышите, что экспериментаторы спокойно говорят о производстве несуществующих частиц (кварков, антикварков или глюонов) и об измерении их свойств. Это стало стандартным языком в этой области. Конечно, они имеют в виду, что наблюдали соответствующие струи. Таким образом, математически Идеальное становится вполне осязаемым Реальным.

Свет свободно проходит через свет. Если бы это было не так, визуальная информация, которую мы получаем от мира, была бы искажена рассеянием, и ее было бы намного сложнее интерпретировать. В КЭД этот простой факт вполне понятен: фотоны реагируют на электрический заряд, но сами фотоны электрически нейтральны.

Самое существенное качественное различие между КХД и КЭД состоит в том, что, в отличие от фотонов, цветные глюоны взаимодействуют друг с другом. Рассмотрим, например, цветной глюон, который превращает единичный красный заряд в единичный синий заряд. Давайте назовем его RB. Когда такой глюон поглощается, полный красный заряд поглотившей его частицы уменьшается на единицу, а ее полный синий заряд увеличивается на единицу. Но поскольку эти заряды сохраняются, мы приходим к заключению, что, если считать его частицей, переносит RB «минус одну» единицу красного заряда и «плюс одну» единицу синего заряда. Он не нейтрален. Другие глюоны, которые изменяют красный или синий заряд или реагируют на них, будут взаимодействовать с RB. И точно так же для всех остальных: восемь цветных глюонов формируют комплекс взаимодействующих друг с другом частиц.

Когда мы переходим от этих квантов к полям, которые они создают, взаимодействия дают удивительный эффект. Силовые линии глюонов притягивают друг друга! И поля вместо того, чтобы распространять свое влияние равномерно сквозь пространство, концентрируются в трубки (см. вклейку OO – и ср. с илл. 20).

Самоклейкость цветного «клея» – ключ к пониманию конфайнмента кварков. Трубки силовых линий глюона – это и есть возникающие вдруг «резинки», готовые создать эффект конфайнмента! Когда вы увеличиваете расстояние, разделяющее цветовой заряд и его противоположность, они оказываются соединены более длинной трубкой потока. Требуется конечное количество энергии на единицу дополнительного разделения, чтобы подпитывать новые поля. В результате возникает сила сопротивления, и эта сила отнюдь не становится меньше по мере того, как вы растягиваете их еще дальше. Потребовалось бы бесконечное количество энергии, чтобы освободить цветовой заряд полностью, но этого не может быть, и потому он находится в конфайнменте.

Самоклейкость глюона – это также хороший способ ввести и визуализировать понятие асимптотической свободы. Поскольку самоклейкость фокусирует цветовые поля вдали от кварка, они действуют с большей силой, чем действовали бы в противном случае, как армия, которая концентрирует свои силы. И наоборот, мы можем начать с более слабых сил, чем мы себе представили вначале, чтобы объяснить данную силу вдалеке. В этом вся суть асимптотической свободы: слабая на коротком расстоянии сила может породить значительную силу на большом расстоянии. Это именно тот вид поведения, который нам нужен, как вы, возможно, помните, чтобы объяснить снимки протонов Фридмана – Кендалла – Тейлора.

Мы можем также интерпретировать асимптотическую свободу с точки зрения того, как мы зондируем это взаимодействие. Зонды высоких энергий чувствительны к поведению силы на коротких расстояниях. «Почти свобода» на коротких расстояниях отражается на слабости взаимодействий и простоте поведения при высоких энергиях.

Неожиданно возникающая простота КХД при высоких энергиях – роскошный подарок Природы физикам, ищущим фундаментального понимания. На самом деле она приносит целую кучу подарков.

Ранняя Вселенная постижима. Очень рано в своей истории, вскоре после Большого взрыва, Вселенная была поистине местом высоких энергий. Благодаря асимптотической свободе мы можем с уверенностью смоделировать ее содержимое.

Мы можем получить информацию из столкновений на высоких энергиях. Поскольку доминирующая сила становится проще при высоких энергиях, мы можем точно вычислить ее следствия. Это позволяет нам без помех интерпретировать результаты ультрасильных столкновений между протонами и тщательно исследовать их в поиске новых эффектов. Например, Большой адронный коллайдер стал инструментом для открытия бозона Хиггса, как описано позже в этой главе. В ближайшем будущем мы узнаем, описывают ли действительность многообещающие, амбициозные теории объединения взаимодействий, как мы обсудим в следующей главе.

Разные силы начинают казаться не такими уж разными. Поразительное математическое сходство между уравнениями КХД и КЭД превращается в близкое физическое сходство между их следствиями, когда мы рассматриваем поведение при очень высоких энергиях (или на очень коротких расстояниях). Сильное взаимодействие, описываемое КХД, становится и проще, и слабее, пока кварки не начинают вести себя почти как электроны, а глюоны – почти как фотоны. Можно было бы сказать, что эффект стероидов смягчается. Учитывая столь явное математическое и физическое сходство, возможность существования объединенной теории выглядит серьезной. Основанная на симметрии математика КХД открывает дверь к объединению, а асимптотическая свобода проталкивает нас сквозь нее. Следуя за этой идеей до конца и вводя также слабое взаимодействие и гравитацию, мы обнаружим, что она объясняет несколько иначе загадочных «совпадений». Мы исследуем объединение всех взаимодействий как текущий рубеж нашего Вопроса в следующей главе.