Кварковая модель строения элементарных частиц (стр. 5 из 5)
Поведение взаимодействия между кварками на больших расстояниях также определяется самодействием глюонов. При удалении кварков друг от друга глюонное поле благодаря притяжению глюонов друг к другу сжимается так, что линии поля становятся параллельными аналогично линиям электрического поля в плоском конденсаторе. Как известно, в плоском конденсаторе поле однородное, напряженность одинакова во всем объеме. Потенциал такого поля меняется в направлении от одной пластины к другой, возрастая с ростом координаты. При неизменном заряде энергия поля внутри конденсатора растет с увеличением расстояния между пластинами. Точно так же, чем больше расстояние между кварками, тем больше энергия глюонного поля. При достаточном удалении кварков друг от друга могут возникнуть глюон или пара кварк — антикварк, причем они тут же порождают бесцветные адроны. Свободные частицы с дробным зарядом до сих пор не наблюдались, несмотря на тщательные поиски. Вероятно, не может существовать и свободный глюон. Отсутствие свободных кварков и глюонов называют «невылетанием цвета».
Появление кварков фиксируется по особенностям образования адронов в столкновениях на встречных пучках. В результате распада тяжелых кварков возникают две струи адронов, направленные в противоположные стороны. Если, помимо кварков, в промежуточном состоянии имеется глюон, то должна появиться еще одна струя.
Глюонные струи были обнаружены в 1979 г. в экспериментах на встречных пучках. При этом наблюдалось увеличение числа трехструйных событий по мере увеличения энергии сталкивающихся частиц, что предсказывается теорией. Изучение углового распределения струй привело к выводу, что спин глюона равен единице, как и должно быть, раз глюонное поле является калибровочным.
Поскольку глюоны взаимодействуют друг с другом, возможно существование бесцветных связанных состояний двух или большего числа глюонов — глюболов («шаров из клея»). Эти состояния нестабильны и должны проявляться как резонансы в рассеянии. Примером глюбола является глюоний — частица, состоящая из глюона и антиглюона, например, rb̃ и br̃. Глюболы должны возникать при распадах «чармония» сc̃, т. е. J/ψ - частицы: она может распадаться на адроны не непосредственно, а в результате превращения в три глюона или два глюона и фотон. Возникающие глюоны могут объединиться в глюбол. При распаде J/ψ - частицы, действительно, были найдены новые резонансы; их массы—1440 ГэВ/с2 и 1700 ГэВ/с2, однако нет уверенности, что их следует отождествить с глюболами.
Интересные результаты были получены в Институте физики высоких энергий в эксперименте, выполненном под руководством Ю. Д. Прокошкина. Пучок отрицательно заряженных пионов с энергией 40 ГэВ направлялся в камеру с жидким водородом. При столкновении пионов с протонами происходят разнообразные события, но исследователей интересовало рождение нейтральных частиц: π- р → nπoπo(1)
π- р → nηη(2)
π- р → nηη′ (3)
Масса η – частицы равна 550 МэВ/с2, η′ - частицы — 959 МэВ/с2.
Исследование реакций (2) и (3) показало, что часть η- частиц возникает в результате распада неизвестной ранее частицы без спина с массой 1590 МэВ/с2. Ее время жизни — около 3*10-24 с. Интересно, что G – мезон (так назвали новый резонанс) не распадается ни на пионы, ни на каоны. Это значит, что он не может иметь кварковую структуру типа uũ, dd̃ или ss̃. Распад (3) происходит в 3 раза чаще, чем распад (2), а теория предсказывает такое отношение для распадов глюбола. Настораживает большая масса G-мезона; теоретически масса глюбола должна быть меньше. И все же, G-мезон является весьма вероятным кандидатом в глюболы.
Теперь обратимся к вопросу: что может квантовая хромодинамика? Известны успехи квантовой электродинамики, ее точное соответствие экспериментальным данным; ее методами не только рассчитывают различные процессы (рассеяние электронов и фотонов, испускание и поглощение света), но и весьма тонкие эффекты, связанные с влиянием поляризации вакуума. Эти успехи в значительной мере обязаны малой величине электромагнитного взаимодействия, которое характеризуется безразмерной величиной α=e2/hc=1/137, называемой постоянной тонкой структуры. Малостьвзаимодействия, точнее, малость α по сравнению с 1, позволяет рассматривать его как добавку («возмущение») к основным членам уравнений, описывающим поведение свободных частиц, и методом последовательных приближений получать решение с любой степенью точности.
В квантовой хромодинамике взаимодействие становится малым на малых расстояниях. В связи с этим появляется возможность воспользоваться методами, аналогичными расчетным методам электродинамики, чтобы получать сведения о процессах при высокой энергии. Безразмерная постоянная, характеризующая цветное взаимодействие при высокой энергии, близка к 0,2; это значительно больше постоянной тонкой структуры, но все-таки меньше единицы. Для разработки методов расчета даже в области высоких энергий пришлось преодолеть ряд трудностей, которых не было в электродинамике. Значительный вклад в разработку аппарата квантовой хромодинамики внесли советские ученые Л. Д Фаддеев, Е. С. Фрадкин, А. А. Славнов, В. Н. Попов и др. Последовательной теории цветного взаимодействия, на больших расстояниях не существует; такие процессы описываются с помощью моделей, имеющих ограниченную область применения.
ЗАКЛЮЧЕНИЕ
Кварковая модель в настоящее время – единственная модель строения элементарных частиц, наиболее точно объясняющая строение адронов.
Создание квантовой хромодинамики — весьма примечательное явление в научной жизни.
С одной стороны, оно свидетельствует в пользу единства мира. В конце 50-х годов мысль, что теория сильных взаимодействий может быть построена по аналогии с квантовой электродинамикой, казалась просто наивной. И все же теория сильных взаимодействий оказалась теорией поля, мало того, теорией калибровочного поля, подобной электродинамике.
С другой стороны, создание хромодинамики свидетельствует о качественно новых свойствах «цветных» частиц и их взаимодействий по сравнению с ранее изученными объектами. Среди этих новых свойств — счастливая для этой теории особенность взаимодействия, его ослабление на малых расстояниях, позволившее создать методы расчета глубоко неупругих процессов.
Необходимо заметить, что кварковая гипотеза не единственная. Существуют гипотезы (основанные на наблюдаемой на опыте симметрии между кварками и лептонами в электромагнитных взаимодействиях, а также на идеях Великого объединения сил) о том, что кварки и лептоны сами состоят из более фундаментальных частиц — «преонов».
Физика не стоит на месте, особенно физика элементарных частиц. Эта одна из молодых областей знания, поэтому многие открытия еще впереди. Она поможет глубже понять строение мира и откроет перед человечеством новые горизонты знания.
ПРИЛОЖЕНИЯ
| Кварк (антикварк) | B | Z | S | T | T3 | s |
| u | +1/3 | +2/3 | 0 | 1/2 | +1/2 | 1/2 |
| ũ | -1/3 | -2/3 | 0 | 1/2 | -1/2 | 1/2 |
| d | +1/3 | -1/3 | 0 | 1/2 | -1/2 | 1/2 |
 | -1/3 | +1/3 | 0 | 1/2 | +1/2 | 1/2 |
| s | -1/3 | -1/3 | -1 | 0 | 0 | 1/2 |
| s̃ | -1/3 | +1/3 | +1 | 0 | 0 | 1/2 |
| Кварк | Масса, МэВ | L | B | S | C | T | T3 | Q |
| u | ≈ 5 | 0 | 1/3 | 0 | 0 | 1/2 | +1/2 | +2/3 |
| d | ≈ 7 | 0 | 1/3 | 0 | 0 | 1/2 | -1/2 | -1/3 |
| c | ≈ 1350 | 0 | 1/3 | 0 | +1 | 0 | 0 | +2/3 |
| s | ≈ 150 | 0 | 1/3 | -1 | 0 | 0 | 0 | -1/3 |
| t | > 22000 | 0 | 1/3 | 0 | 0 | 0 | 0 | +2/3 |
| b | ≈ 4700 | 0 | 1/3 | +1 | 0 | 0 | -1/3 | |
СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ
1. Волковыский Р.Ю. Кварки и мир. – Л.: Знание, 1986. – 32 с., ил.
2. Гершензон Е.М., Малов Н.Н., Мансуров А.Н. Оптика и атомная физика: учеб. пособие для студ. высших пед. учеб. заведений – М.: Издательский центр «Академия», 2000. – 408 с.
3. Мухин К.Н. Занимательная ядерная физика. 3-е изд. перераб. и доп. – М.: Энергоатомиздат, 1985. – 312 с.
4. Наумов А.И. Физика атомного ядра и элементарных частиц: учеб. пособие для студентов пед. ин-тов по физ. спец. – М.: Просвещение, 1984. – 384 с., ил.
5. Окунь Л.Б. α, β, γ…Z (Элементарное введение в физику элементарных частиц). – М.: Наука. Главная редакция физико-математической литературы, 1985. – 112 с. – (Библиотечка «Квант». Вып. 45).
6. Савельев И.В. Курс общей физики. В 5 кн. Кн. 5. Квантовая оптика. Атомная физика. Физика твердого тела. Физика атомного ядра и элементарных частиц: Учеб. пособие для втузов/И.В. Савельев. – М.: ООО «Издательство Астрель»: ООО «Издательство АСТ», 2003. – 368 с.: ил.
7. Сивухин Д.В. Общий курс физики. Учеб. пособие: Для вузов. В 5 т. Т. V. Атомная и ядерная физика. – 2-е изд., стереот. – М.: ФИЗМАТЛИТ; Изд-во МФТИ, 2002. – 784 с.