Кварки и глюоны – вечно виртуальные частицы

Сравнительно недавно (статья написана в 1986 году) физика столкнулась с совершенно необычными частицами. Эти частицы, кварки, никогда не делаются реальными! Они всегда виртуальны, точнее, их нельзя наблюдать отдельно от других частиц. Хотя существование и свойства кварков подтверждены многочисленными экспериментальными исследованиями, найти их не удаётся. Приходится принять как закон природы, что кварки остаются виртуальными при любых взаимодействиях.

Гипотеза о существовании кварков была выдвинута в процессе поисков праматери или прачастиц, из комбинаций которых можно было бы составить все сильновзаимодействующие частицы, открытые после создания новых мощных ускорителей и чувствительных методов обнаружения. Этих частиц оказалось так много, что их пришлось распределить по семействам, используя основные характеристики, такие, как масса, спин или заряд. Сильновзаимодействующие частицы называют адронами (от греческого слова αδρος – массивный). Пытаясь объяснить их свойства, теоретики после долгих поисков пришли к заключению, что адроны состоят из кварков, которые имеют дробный электрический заряд; у одних кварков заряд равен +2/3 заряда протона, у других -1/3. Идея частиц с дробным зарядом была неслыханной, дикой, но она позволила провести строгую классификацию частиц и объяснила их свойства! Протон и нейтрон составляются из троек кварков, так, чтобы заряд был равен целому числу, а пи-мезон и другие мезоны, также относящиеся к семейству адронов, - из кварка и антикварка. Но из адронов кварки не вылетают даже при самых энергичных столкновениях. Они не могут существовать в свободном состоянии, не могут жить друг без друга. Разлетаясь, они тут же превращаются в адроны.

В ускорителе на встречных пучках при больших энергиях сталкиваются электрон и позитрон. Рождается пара: кварк – антикварк, в которой эти частицы связаны силовыми взаимодействиями. Но если сила, с которой в электродинамике притягиваются два противоположных заряда, убывает с расстоянием, то сила, сцепляющая кварк и антикварк, не убывает – в этом причина их вечной виртуальности. При раздвижении они не освобождаются друг от друга, как, скажем, электрон и позитрон. Но почему взаимодействие кварков так не похоже на взаимодействие электронов? Это мы обсудим чуть позже. Рождаясь, кварк и антикварк разлетаются, кинетическая энергия превращается в потенциальную энергию их притяжения, как у двух шаров, скреплённых пружиной.

Внутри адронов кварки удерживают особое поле. Его назвали «глюонным», от английского слова glue – клей. Оно подобно электромагнитному полю, удерживающему электрон внутри атома. Уравнение глюонного поля находятся по образу и подобию уравнений электродинамики. У кварка, помимо электрического заряда, есть ещё и «глюозаряд», создающий глюонное поле. Согласно квантовой механике энергия глюонного поля изменяется порциями, порция его энергии называется глюоном, подобно порции энергии электромагнитного поля – фотону. Но есть и важное отличие: фотоны не взаимодействуют между собой, тогда как глюоны – сильновзаимодействующие объекты. В отличие от фотона глюон никогда не бывает реальным. Его, так же как и кварк, нельзя наблюдать отдельно от других глюонов.

В чём же объяснение необычного взаимодействия кварков и глюонов? Электрическое поле кварка распределено вокруг него сферически симметрично, как вокруг любого точечного заряда. В отличие от этого глюонное поле, создаваемое кварком, сосредоточено в узкой трубке. Между кварком и антикварком протягивается струна глюонного поля. Энергия растёт пропорционально расстоянию между кварком и антикварком. Чтобы их раздвинуть далеко, нужна громадная энергия. Невозможность раздвинуть кварки и удалить глюонное поле за пределы струны называют словом «конфайнмент» (от английского confinement – тюремное заключение, ограничение свободы движения).

Хотя физики по многим косвенным соображениям убеждены в правильности описанной здесь картины конфайнмента, до сих пор не существует ясного физического объяснения этого явления. Оно связано взаимодействием глюонов между собой и, возможно, с особым видом нулевых колебаний вакуума, которые называются инстантонными.

Если пытаться подробно объяснить, что такое инстантонные колебания, то для этого потребуется целая книга (pdn: в физике есть такая «народная мудрость» - если ты не понимаешь чего-то – пишешь фолиант; при понимании ситуации дело ограничивается несколькими фразами «на пальцах»). Ограничимся общими замечаниями, которые позволят получить некоторое представление об этом явлении.

В нескольких работах А.М. Поляков (1973 – 1985 г.г.) обратил внимание физиков на то, что поля типа глюонных (в отличие от электромагнитного поля) могут иметь конфигурации, которые нельзя перевести друг в друга непрерывными изменениями, как нельзя развязать узел на бесконечно длинной верёвке, не разрезая её, или как нельзя перевести тор (бублик) в сферу. Исследованием подобных свойств геометрических тел или полей занимается топология – красивейший раздел математики.

Итак, Поляков показал, что вакуумные поля можно классифицировать по топологическим признакам. Глюонный потенциал может иметь разную топологическую структуру. Оказалось, согласно квантовой механике, что возможны нулевые колебания совершенно неожиданного типа. Вакуумное глюонное поле колеблется, переходя из одной топологической структуры в другую и обратно. Такие вспыхивающие и гаснущие переходы и называются инстантонами.

Ливни частиц

При сверхбольших энергиях сталкивающихся адронов из вакуума рождаются снопы различных частиц и античастиц. Когда сталкиваются два протона большой энергии, возникают два снопа частиц, летящих в направлении каждого из протонов. Чем больше энергия сталкивающихся протонов, тем больше частиц в снопах. Эти снопы в большом количестве можно наблюдать на фотопластинках при изучении космических лучей и на ускорителях большой энергии.

Способность частиц рассеиваться друг на друга и рождать другие частицы определяется отношением числа рассеянных частиц к числу частиц, падающих на единицу площади. Если разделить это отношение на число частиц в рассеивающем веществе, то получится величина, отнесённая к одной частице, имеющая размерность площади, которая называется поперечным сечением. Это как бы та площадка вокруг рассеивающей частицы, попав в которую, налетающая частица обязательно рассеивается. В классической механике поперечное сечение определяется геометрическими размерами частиц. Когда сталкиваются адроны, такое геометрическое сечение имеет порядок величины 10^-25 – 10^-26 см². Эксперимент показал, что эффективное сечение растёт с увеличением энергии и может как угодно превысить геометрическое сечение. На первый взгляд это очень странное явление. Обычно при рассеивании частиц, с увеличением энергии квантовые явления ослабляются (для имеющих представление о квантовой механике скажем: длина волны де Бройля уменьшается) и сечение стремится к классическому пределу, то есть определяется геометрическими размерами.

Объяснение этой странности в свойствах вакуума. Оказывается, реальный адрон большой энергии окружён облаком виртуальных кварков и антикварков. Чем больше энергия частицы, тем больше размеры облака и тем легче виртуальные кварки превращаются в комбинации, отвечающие реальным адронам. Достаточно краем облака задеть другой реальный адрон, как виртуальные частицы в нём превратятся в адроны. Поскольку радиус облака растёт с увеличением энергии, растёт и эффективное сечение.

Эти явления и примыкающие к ним задачи исследовались в работах Р. Фейнмана и члена-корреспондента АН СССР В.Н. Грибова и его сотрудников (1965 – 1975 г.г.).