Красота физики. Постигая устройство природы - Фрэнк Вильчек

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.

Странная действительность кварков и глюонов

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.

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.

Самоклеящийся клей

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).