Глюоны и кварки

Кварки и глюоны

Джон Неджел, W.A. Профессор Колледжа физики в MIT, говорил о теории, которая управляет взаимодействиями кварков и глюонов, известной как квантовая хромодинамика (QCD), на ежегодном собрании американской Ассоциации развития науки 17 февраля в Бостоне.
Дж. Неджел рассказал, как ученые используют суперкомпьютеры и понятие, названное теорией решётчатого поля, чтобы выяснять поведение кварков и глюонов — мельчайших известных частиц.
«Попытки выявления фундаментальных элементов строения природы привели к последовательному изучению слоев миров в пределах миров», — говорит Неджел, работающий также в Лаборатории ядерных исследований MIT.
Молекулы состоят из атомов, атомы от электронов и ядер, ядра из протонов и нейтронов. Их взаимодействия совершенно поняты. Следующий шаг в работе должен помочь понять, как взаимодействуют кварки и глюоны, что чрезвычайно отличается от взаимодействия больших частиц, и требуют особого подхода к их изучению.
Некоторые факторы взаимодействия кварков и глюонов делают их более сложными для изучения. Во-первых, кварки ограничены пределами большей частицы, таким образом, они не могут быть отделены и изучены в изоляции. Кроме того, сила взаимодействия между двумя кварками увеличивается, когда они расходятся, тогда как эта сила между ядром и электроном или двумя нуклеонами в ядре слабеет при увеличении расстояния.
Эти отличия можно объяснить качеством асимптотической свободы, за которую Дэвид Гросс, Дэвид Политзер и Франк Вилкзек MIT, Герман Фешбак (1942) профессор физики, получили Нобелевскую премию за 2004 год. Эта качество описывается как сила, произведенная обменом глюонов, которая ослабевает, когда кварки сближаются, и увеличивается при удалении. Как следствие, ни один из используемых аналитических методов, не может быть использован для успешного разрешения проблем ядерной физики, чтобы изучать кварки и глюоны.
Поэтому физики используют теорию решётчатого поля с целью изучения взаимодействия QCD. Используя большие суперкомпьютеры, исследователи могут проанализировать QCD, представляя пространство-время четырехмерной решеткой отдельных пунктов, как кристалл.
Вычисления выполняются компьютерами, специально изготовленными для этой цели, типа 360-teraflop BlueGene/L в Ливерморской национальной лаборатории в Ловерсе.
Дж. Неджел рассказывает об основных идеях относительно того, как QCD использует решетки пространства-времени и показывает избранные результаты вычисления фундаментальных свойств протонов, нейтронов и других сильно взаимодействующих частиц.

>Просто о сложном: бозоны, фермионы, кварки и другие элементарные составляющие Вселенной

Строение вещества

Владислав Лялин

Итак, все состоит из молекул, а молекулы состоят из атомов. Атом состоит из ядра и облаков электронов вокруг него, которые совершают куда более сложные движения, чем просто вращение. Ядро примерно в 10 тысяч раз меньше размера атома, хотя это и есть почти вся его масса, и состоит из протонов и нейтронов. Как правило, на этом большинство школьных курсов физики заканчиваются, но на этом не заканчивается физика. В 50-х годах прошлого века ученые знали о существовании пяти частиц, которые они называли элементарными. Это были протон, нейтрон, электрон, фотон и электронное нейтрино. Уже через несколько десятков лет (с появлением первых коллайдеров) частиц, которые стоило бы причислить к элементарным, стало несколько десятков, и это число только росло. Термин «элементарная частица» пришлось пересматривать — и заодно придумывать новую теорию, еще сильнее углубляться в строение вещества. Со временем была создана теория, названная Стандартной моделью, описывающая все известные взаимодействия (кроме гравитации).

Еще с древних времен материя и силы (взаимодействия) в физике были отделены. Эта идея присутствует и в Стандартной модели. Все элементарные частицы в ней делятся на «кирпичики материи» — фермионы и переносчики взаимодействия — бозоны. Эти классы частиц сильно отличаются друг от друга, одним из самых ярких отличий является отсутствие принципа запрета Паули у бозонов. Грубо говоря, в одной точке пространства может быть не более одного фермиона, но сколько угодно бозонов.

Бозоны

В Стандартной модели всего шесть элементарных бозонов. Фотон не обладает электрическим зарядом, он передает электромагнитное взаимодействие — то самое, которое связывает атомы в молекулы. Глюон передает сильное взаимодействие и обладает своим видом заряда (об этом еще будет сказано). Именно сильное взаимодействие отвечает за ядерные силы, скрепляющие протоны и нейтроны в ядрах. W+, W- и Z0 означает, что бозоны заряжены соответственно положительно, отрицательно и нейтрально (не заряжены). Они отвечают за так называемое слабое взаимодействие, которое умеет превращать одни частицы в другие. Самый простой пример слабого взаимодействия — распад нейтрона: один из кварков, составляющих нейтрон, излучает W-бозон и превращается в другой кварк, а W-бозон распадается на электрон и нейтрино.

Остается последний бозон — бозон Хиггса. Теоретически он был предсказан еще в 60-х годах прошлого века, но экспериментально его существование было доказано только в 2013 году. Он отвечает за инертную массу элементарных частиц — именно массу, ответственную за эффекты инерции, а не притяжения. Квантовой теории, которая связала бы и инерцию, и гравитацию, пока что нет.

Фермионы

Элементарных фермионов гораздо больше, чем элементарных бозонов. Их делят на два класса: лептоны и кварки. Они отличаются тем, что кварки участвуют в сильном взаимодействии, а лептоны — нет.

Лептоны

Лептоны бывают трех поколений, в каждом поколении два лептона — один заряженный и один нейтральный. Первое поколение: электрон и электронное нейтрино, второе — мюон и мюонное нейтрино, третье — тау-лептон и тау-нейтрино. Лептоны очень похожи друг на друга, мюоны и тау-лептоны (так же как и электроны) могут образовывать атомы, заменяя на орбиталях электроны. Главное их отличие — в массе: мюон в 207 раз тяжелее электрона, а тау-лептон в 17 раз тяжелее мюона. С нейтрино должна быть похожая история, но их массы настолько малы, что до сих пор не измерены. Эти массы точно ненулевые, доказательство этого факта было отмечено Нобелевской премией в 2015 году. Мюон и тау-лептон нестабильны: время жизни мюона примерно 0,2 миллисекунды (что на самом деле довольно долго), тау-лептон распадается примерно в 17 раз быстрее. Особенности нейтрино состоят в том, что они участвуют только в слабом взаимодействии, из-за этого их очень трудно засечь. Также они могут произвольно менять свой сорт: к примеру, электронное нейтрино может внезапно превратиться в мюонное, или наоборот. В отличие от бозонов, у лептонов существуют античастицы. Таким образом, всего лептонов не 6, а 12.

Кварки

В английском слово funny может иметь значения «забавный» и «странный». Вот кварки как раз и есть funny. Они забавно называются: верхний, нижний, странный, очарованный, прелестный и истинный. И они очень странно себя ведут. Существует три поколения кварков, по два кварка в каждом, и точно так же у них у всех существуют античастицы. Кварки участвуют как в электромагнитном и слабом взаимодействиях, так и в сильном. Для заметки: фермионы, участвующие в сильном взаимодействии, называются адронами; таким образом, адроны — это частицы, состоящие из кварков. Поэтому Большой адронный коллайдер, собственно, называется адронным: там сталкивают протоны или ядра атомов (адроны), но не электроны. Кварки любят образовываться в частицы из трех и двух кварков, но никогда не появляются по одному. В этом и заключается их странность. Частицы из трех кварков называют барионами, а из двух — мезонами.

© iStock

Почему они так делают? Это происходит из-за особенностей сильного взаимодействия, которое удерживает кварки в адронах. Сильное взаимодействие очень интересно: вместо одного заряда, как в электромагнитном, у сильного их бывает три. И оказывается, что существуют только нейтральные частицы, а нейтральной частица может быть, только если в ней есть либо три разных заряда одного знака, либо два одинаковых заряда разного знака. Из-за этой особенности (и для удобства) заряды начали называть красным, зеленым и синим, а соответствующие отрицательные заряды — антикрасным, антизеленым и антисиним. Получается, что если взять красный, зеленый и синий, мы получим белый, то есть нейтральный; если взять красный и антикрасный, мы тоже получим белый. Это легко запоминается, но стоит подчеркнуть, что это не имеет никакого отношения к цветам, к которым мы привыкли в жизни. Это просто красивая и удобная аналогия со смешиванием. В Стандартной модели каждый кварк может быть любого из трех цветов, а антикварк — любого из трех «антицветов». Получается, что ни один из кварков не может быть непосредственно зарегистрирован, ведь свободно существовать могут только бесцветные частицы, а кварки «раскрашены». Эта особенность их поведения называется конфайнментом, что с английского дословно переводится как «заточение».

Конфайнмент

Хорошо — допустим, что кварки не могут существовать свободно. Но что если просто взять мезон, состоящий из двух кварков, и разорвать его на две части? Не получим ли мы два кварка? (На самом деле нет.) Представьте, что мезон очень сильно растягивают. В отличие от электромагнитного, сильное взаимодействие тем сильнее до определенного предела, чем взаимодействующие частицы дальше друг от друга. Это похоже на пружину: чем сильнее ее растягивать, тем сильнее она будет сжиматься и тем больше у нее будет энергии. Чтобы сильнее стягивать кварки, сильное взаимодействие создает новые глюоны. И чем дальше мы их растягиваем, тем больше глюонов создается. Но в какой-то момент энергия этих созданных глюонов становится настолько большой, что выгоднее становится создать новую пару кварк-антикварк, чем продолжать плодить глюоны. Много глюонов исчезает, вместо них появляются кварк и антикварк. В момент появления кварк-антикварковой пары из четырех кварков создаются два мезона, каждый из которых бесцветен.

Может показаться, что теория замкнута сама на себе и что кварков на самом деле не существует, а конфайнмент, по сути, костыль, который придумали только для того, чтобы прекратить поиски кварков; что это просто удобная модель, которая не имеет под собой физического обоснования. Долгое время в научных кругах ходила такая мысль. Однако поздние теоретические исследования и недавние экспериментальные показывают, что при определенных условиях кварки могут покидать адроны. Более того, это состояние материи существовало практически сразу после большого взрыва, и только после сильного охлаждения кварки связались в адроны. Такое состояние материи сейчас исследуют на Большом адронном коллайдере в эксперименте ALICE. Для его получения нужна температура в два триллиона градусов. Это состояние материи называется кварк-глюонной плазмой.

Для понимания, что есть кварк-глюонная плазма, стоит провести аналогию. Представьте себе воду в невесомости. Она находится в жидком агрегатном состоянии, и из-за сил поверхностного натяжения она имеет вид шара — можно сказать, что она заточена в этот шар. Начнем повышать температуру. Когда она достигнет 100 градусов, вода начнет кипеть, активно испаряться и со временем полностью станет паром, у которого уже не будет силы поверхностного натяжения. Явление превращения воды в пар называется фазовым переходом. Если продолжить нагревать пар, то примерно при 1 400 градусах молекулы воды разделятся на водород и кислород — сдиссоциируют, — и вода станет смесью кислородной и водородной плазм. Это еще один фазовый переход. Теперь возьмем газ — но не из молекул воды, а из адронов — и начнем его нагревать. Придется нагревать весьма сильно, потому что для фазового перехода нужна температура примерно в два триллиона градусов. При такой температуре адроны как бы «диссоциируют» в свободные кварки и глюоны. Таким образом, адрон совершит фазовый переход в состояние кварк-глюонной плазмы. Это явление называется деконфайнментом, то есть процессом освобождения кварков из адронов.

В поисках теории всего

Последнего экспериментального подтверждения Стандартная модель ждала около 50 лет, но теперь бозон Хиггса найден — что дальше? Можно ли думать, что великие открытия закончились? Конечно, нет. Стандартная модель изначально не претендовала на звание теории всего (ведь она не включает в себя описание гравитации). Более того, в декабре прошлого года ATLAS и CMS в коллаборации опубликовали статьи о возможном обнаружении новой тяжелой частицы, не вписывающейся в Стандартную модель. И физики не грустят, а, наоборот, рады, ведь сам Большой адронный коллайдер строили не для того, чтобы подтверждать уже известное, а чтобы открывать новое. И так же «новая физика» не говорит о том, что Стандартная модель будет вычеркнута и предана анафеме. Мы ученые, и если что-то точно работает (а Стандартная модель это доказала), то оно должно быть частным случаем любой новой теории, иначе новая теория будет противоречить старым экспериментам. Для примера: механика Ньютона является прекрасной моделью для описания движения с низкими (значительно меньше скорости света) скоростями — несмотря на то, что сейчас мы знаем специальную теорию относительности. Точно так же, когда появятся новые модели (или модификации Стандартной), будут существовать условия, при которых будет верно то, что мы знаем сейчас.

Не пропустите следующую лекцию:

Антикварки — античастицы по отношению к кваркам, составляющие мезонов и антибарионов. В соответствии с составной моделью адронов мезоны представляют собой связанные состояния антикварка и кварка, а антибарионы — связанные состояния трех антикварков. Спин антикварка равен 1/2, барионный заряд -1/3. Электрический заряд антикварка противоположен электрическому заряду соответствующего кварка (В схемах с целочисленными электрическими и барионными зарядами кварков антикварки также имеют противоположные значения указанных зарядов). Антикварку приписывается квантовое число аромат, компенсирующий аромат соответствующих кварков. Поэтому в мезонах, состоящих из кварка и его антикварка, аромат исчезает. Такие мезоны обладают, как говорят, «скрытым ароматом» (см. Кварконий). Антикварки отождествляются с антитриплетным представлением цветовой группы симметрии SU(3), сопряженным триплетному представлению этой группы, с которым отождествляются кварки. Поэтому три цвета антикварков являются дополнительными по отношению к трем цветам кварков.

Глюоны

Глюоны — частицы со спином J = 1 и нулевой массой переносят сильное цветное взаимодействие между кварками. При испускании или поглощении глюона кварки изменяют свой цвет. При этом остальные квантовые числа кварка и его аромат не изменяются. Глюоны обладают цветом. Из трех цветов (к, с, з) и трех антицветов (, , ) можно составить таблицу возможных комбинаций глюонов

к с з
к с з
к с з
к с з

Из элементов, не расположенных на диагонали можно составить 6 различных цветных комбинаций (с, з, к, …) Из 3 элементов, расположенных на диагонали к, с, з можно построить 3 независимые комбинации (к + с + з), (к — з), (к + з — 2с). Первая из этих комбинаций (к + с + з) является полностью симметричной по цвету и представляет из себя бесцветный цветовой синглет. Следовательно частица, имеющая такую цветовую комбинацию не может быть переносчиком цвета между кварками. Комбинации (к — з) и (к + з — 2с) не являются симметричными по цвету и вместе с шестью не диагонально расположенными комбинациями представляют 8 типов глюонов — переносчиков сильного цветного взаимодействия. Так как глюоны обладают цветом в отличие от фотонов для них возможны процессы испускания глюоном глюона

и взаимодействие двух глюонов

Взаимодействие глюонов ответственно за удержание кварков внутри адрона. В отличие от константы электромагнитного взаимодействия, константа сильного цветного взаимодействия растет с увеличением расстояния между кварками.
Экспериментально глюоны наблюдались в виде узких адронных струй при взаимодействии частиц высоких энергий.
Глюоны играют существенную роль в формировании внутренней структуры адронов. Из процессов глубоконеупругого рассеяния на нуклонах следует, что примерно половина энергии нуклона приходится на глюон.

Глюон

Глюон (g)

Состав

элементарная частица

Семья

бозон

Группа

калибровочный бозон

Участвует во взаимодействиях

сильное,
гравитационное

Античастица

сам себе (для нейтральных глюонов)

Кол-во типов

Масса

0 (теоретическое значение)
< 1,3 МэВ/c2 (экспериментальное ограничение)

Квантовые числа

Электрический заряд

Цветной заряд

r r ¯ , g g ¯ , b b ¯ , r g ¯ , r b ¯ , g b ¯ {\displaystyle r{\bar {r}},g{\bar {g}},b{\bar {b}},r{\bar {g}},r{\bar {b}},g{\bar {b}}}

Спин

1 ħ

Внутренняя чётность

Кол-во спиновых состояний

Изотопический спин

Теоретически обоснована

Гелл-Манн, Цвейг (1964)

Обнаружена

Глюо́н (от англ. gluon, от glue — клей) — элементарная безмассовая частица, переносчик сильного взаимодействия.

Говоря техническим языком, глюоны — векторные калибровочные бозоны, непосредственно отвечающие за сильное цветовое взаимодействие между кварками в квантовой хромодинамике (КХД). В отличие от фотонов в квантовой электродинамике (КЭД), которые электрически нейтральны и не взаимодействуют друг с другом, глюоны сами несут цветовой заряд и, таким образом, участвуют в сильных взаимодействиях, а не только переносят их. Это делает КХД значительно более сложной для понимания, чем КЭД.

Краткий обзор различных семейств элементарных и составных частиц и теории, описывающие их взаимодействия. Элементарные частицы слева — фермионы, справа — бозоны. (Термины — гиперссылки на статьи ВП)

Нумерология глюонов

В отличие от единственного фотона в КЭД или трёх W- и Z-бозонов, переносящих слабое взаимодействие, в КХД существует 8 независимых типов глюонов.

Кварки могут нести три типа цветового заряда; антикварки — три типа антицветового. Глюоны могут быть осмыслены как носители одновременно цвета и антицвета, либо как объяснение изменения цвета кварка во время взаимодействий. Исходя из того, что глюоны несут ненулевой цветовой заряд, можно подумать, что существует только шесть глюонов. Но на самом деле их восемь, так как говоря техническим языком, КХД — калибровочная теория с SU(3)-симметрией. Кварки представлены как поля спиноров в Nf ароматах, каждый в фундаментальном представлении (триплет, обозначается 3) цветовой калибровочной группы, SU(3). Глюоны являются векторными полями в присоединённом представлении (октеты, обозначаются 8) цветовой SU(3)-группы. Вообще говоря, для калибровочной группы число переносчиков взаимодействия (таких как фотоны и глюоны) всегда равно размерности присоединённого представления. Для простого случая SU(N) размерность этого представления равна N2 − 1.

В терминах теории групп утверждение, что синглетные по цвету глюоны отсутствуют, является просто заявлением, что квантовая хромодинамика имеет симметрию SU(3), а не U(3). Априорных причин для предпочтения той или другой группы нет, но эксперимент согласуется лишь с SU(3).

Цветные глюоны:

Бесцветные глюоны:

g 3 = ( r r ¯ − b b ¯ ) / 2 , g 8 = ( r r ¯ + b b ¯ − 2 g g ¯ ) / 6 . {\displaystyle g_{3}=(r{\bar {r}}-b{\bar {b}})/{\sqrt {2}},\qquad g_{8}=(r{\bar {r}}+b{\bar {b}}-2g{\bar {g}})/{\sqrt {6}}.}

Третье бесцветное состояние:

( r r ¯ + b b ¯ + g g ¯ ) / 3 {\displaystyle (r{\bar {r}}+b{\bar {b}}+g{\bar {g}})/{\sqrt {3}}}

не существует. Нумерация глюонов соответствует нумерации матриц Гелл-Манна — генераторов группы SU(3).

Примечания

  1. J. Beringer et al., «The Review of Particle Physics», Physical Review D, 86, no. 86, (January 2012)
  2. 1 2 3 K.A. Olive; et al. (2014). “Review of Particle Physics” (PDF). Chinese Phys. C. 38: 090001. DOI:10.1088/1674-1137/38/9/090001.
  3. 1 2 F. Yndurain (1995). “Limits on the mass of the gluon”. Physics Letters B. 345 (4): 524. Bibcode:1995PhLB..345..524Y. DOI:10.1016/0370-2693(94)01677-5.
  4. Сводная таблица свойств глюона, известных на 2014 год // Particle Data Group (англ.)
  5. Лев Окунь. Основные понятия и законы физики и свойства элементарных частиц материи. Стандартная модель и за её пределами.
  6. 1 2 А. В. Ефремов. Глюоны // Физическая энциклопедия / Гл. ред. А. М. Прохоров. — М.: Советская энциклопедия, 1988.
  7. в первом порядке теории возмущений.
  8. Умные алгоритмы помогли совершить открытие в физике элементарных частиц • Игорь Иванов • Новости науки на «Элементах» • Физика. elementy.ru. Дата обращения 21 апреля 2017.
  9. t-кварк
  10. Основные понятия и законы физики и свойства элементарных частиц материи • Л. Окунь • Книжный клуб на «Элементах» • Опубликованные отрывки из книг Сильное взаимодействие. Конфайнмент и асимптотическая свобода. elementy.ru. Дата обращения 21 апреля 2017.
  11. Иванов И. Удивительный мир внутри атомного ядра. Научно-популярная лекция для школьников, ФИАН. elementy.ru (11.09.2007). Дата обращения 18 июля 2015.

Ссылки

  • Сводная таблица свойств глюона, известных на 2014 год // Particle Data Group (англ.)

Раздел 2. Глюон, кварки, масса кварков.

Часть 2.1. Глюон.

2.1.1. В процессе образования протона лишь незначительная часть энергии СВЧ-волны (около 0,1%) превращается в электроны и «твердые» частицы с дробными зарядами. Значительно бОльшая часть — (около 99,9%) затрачивается на образование материи глюона, который составляет основную массу протона. (7)

2.1.2. Поскольку заряд протона (+1) уже сформирован тремя частицами с дробными зарядами, то материя глюона по всему объему протона должна быть строго электронейтральной. При этом на образование глюона может быть использована только энергия-материя имеющихся в наличии СВЧ-волн. 2.1.3. Хотя на данный момент и в данной работе детальная структура (схема строения) глюона и процессы его формирования из электрического переменного (+\-) поля не могут быть объяснены, тем не менее, можно достоверно утверждать, что:

а) глюон — это остановившаяся и уплотнённая (сжатая, спрессованная, сгущённая, сконцентрированная, материализовавшаяся? и т.д.) электронейтральная материнская СВЧ-волна, у которой энергия магнитного поля перешло в энергию электрических (+/-) полей;

б) для сохранения своей электронейтральности, материя глюона обязана сохранить волновую (+/-) структуру материнской волны, поскольку только волновая структура позволяет «мирно сосуществовать» разноименно заряженным электрическим (+/-) полям.

2.1.4. Для сохранения электронейтральности глюон:

а) не может состоять из смеси (даже строго однородной) отдельных микрочастиц-плюс и микрочастиц-минус (аннигиляция);

б) не может являться однородной смесью многочисленных электнонейтральных микрочастиц ввиду невозможности их образования (отсутствует всякая «техническая» возможность образования калиброванных электронейтральных микрочастиц («глюончиков») из «микрокусочков» электронейтральной материнской волны).

2.1.5. Глюон не может иметь дискретную структуру, поскольку объективные возможности для образования дискретного глюона в виде микрочастиц — отсутствуют. Также отсутствует реальная «технологическая» необходимость в наличии такой дискретной структуры внутри протона.

2.1.6. Из-за собственной волновой структуры, состоящей из уплотнённого (+/-) поля материнской волны, плотность материи глюона обязана быть значительно ниже, чем плотность материи «однозарядных» частиц — электрона или позитрона. Структура глюона должна быть «рыхлая», поскольку он (глюон) должен пропускать сквозь себя электроны, позитроны и электромагнитные волны.

2.1.7. Поскольку материя глюона представляет собой «перекатывающуюся» (медленно передвигающуюся) или стоячую? волну, то протон и нейтрон, а также кварки не могут иметь четкой (гладкой) поверхности (границы).

2.1.8. Таким образом:

а) глюон — это остановившаяся и уплотнённая (и материализовавшаяся?) материнская электромагнитная СВЧ-волна, у которой магнитное поле перешло в энергию электрических (+/-) полей. Других «материй» в Космосе для образования глюона не было, нет и быть не может;

б) для сохранения своей электронейтральности, материя глюона обязательно должна иметь волновую (+/-) структуру, поскольку только волновая структура позволяет «сосуществовать» разноименно заряженным электрическим (+/-) полям;

в) в протоне, волновая структура глюона («синусоида») должна быть ориентирована своими отрицательными полями в сторону центра протона, где расположены кварки с общим зарядом (+), а своими положительными полями «синусоиды» — в сторону поверхности протона. В нейтроне — наоборот.

P.S. Конструкцию протона и окружающего его глюона можно сравнить с формой цветка ромашки: в центральной части размещаются и перемещаются кварки, а лепестки — это синусоида стоячей уплотненной волны (минус — в сторону центра, а плюс — наружная часть).

Часть 2.2. Кварки.

2.2.1. Согласно современной теории протон является «составной» частицей, состоящей из двух кварков-плюс (u), одного кварка-минус (d) и глюона. По неизвестным пока причинам, именно такой набор не наблюдаемых в свободном состоянии кварков, образуют комбинацию uud, которая совместно с глюоном обеспечивает сохранность заряда (+1) и «прочность» (стабильность) всей конструкции протона (8).

2.2.2. Значения масс кварков на сегодняшний день экспериментально определены в диапазонах: 1,5-3 МэВ для кварка u и 3-7 МэВ для кварка d.(8)

При рассмотрении строения кварков необходимо решить следующие две проблемы:

Проблема 1.

2.2.3. Кварки имеют дробные заряды -1/3 и +2/3. Но поскольку электромагнитные волны, ни при каких условиях не могут разделить свои (+/-) поля в таких дробных пропорциях, то основой (фундаментом) для образования кварков могут быть только «твердые» дробные частицы с аналогичными дробными зарядами.

Однако в соответствии с пунктом 1.4.5, при образовании частиц с дробными зарядами происходит автоматическое деление не только зарядов, но и масс позитрона (0,51 МэВ) и электрона (0,51 МэВ) в точно таких же пропорциях. То есть: масса частицы -1/3 составляет 0,17 МэВ (ровно 1/3 массы электрона), а масса частицы +2/3 составляет 0,34 МэВ (ровно 2/3 массы позитрона).

Но тогда расхождения между массами дробных частиц (0,34 и 0,17 МэВ) и экспериментально определенными значениями масс кварков (1,5-3 МэВ и 3-7 МэВ) получаются весьма существенными: более чем в 4-9 раз для кварка u и 17- 40 раз для кварка d. Такая значительная погрешность при экспериментальном определении масс кварков практически исключается.

2.2.4. Единственным решением этой проблемы является утверждение, что кварк представляет собой составную частицу, состоящую из ядра (частицы с дробным зарядом) и окружающего его «персонального» облака из электронейтрального глюона.

2.2.5. При этом, внутреннее строение глюона «персонального» облака (далее глюон-1) должно отличаться от внутреннего строения основной массы «обычного» глюона (далее глюон-2), из которого состоит основное тело протона (нейтрона), поскольку:

а) глюон-1 должен обладать способностью «контактировать» с заряженной частицей, то есть: его структура должна обладать способностью «безболезненно» существовать непосредственно вблизи поверхности частиц, имеющих заряд либо (+) либо (-);

б) должен обладать способностью образовывать вокруг каждой частицы «персональное» высокоустойчивое облако, способное перемещаться вместе с частицей-ядром, т.е. обладать высокой степенью «сцепления».

2.2.6. Наличие «персонального» облака из электронейтрального глюона-1 является обязательным условием, поскольку они (облака) защищают положительные и отрицательные дробные частицы от самоуничтожения (аннигиляции). См. приложение.

2.2.7. Для сохранения общей электронейтральности, материя глюона-1, так же как и материя глюона-2, должна иметь волновую (+/-) структуру, поскольку только волновая структура позволяет «сосуществовать» электрическим (+/-) полям.

2.2.8. Таким образом:

а) кварк представляет собой составную частицу, состоящую из ядра (частицы с дробным зарядом) и окружающего его «персонального» облака из электронейтрального глюона;

б) поскольку все кварки должны иметь эталонные параметры, то и масса их «персональных» облаков (глюона-1) также должно быть эталонным, то есть:

эталонный кварк =эталонная дробная частица + эталонное количество гюона-1.

Приложение:

2.2.9. Существуют дробные частицы с разными зарядами: частицы-плюс и частицы-минус. Поэтому глюон-1 также должен быть двух «сортов»: один «сорт» (условно глюон-1а) образует высокоустойчивое облако вокруг частицы +2/3 (образуется кварк u), а второй (условно глюон-1б) — образует высокоустойчивое облако вокруг частицы -1/3 (образуется кварк d).

Данное разделение по «сортам» приведено условно, поскольку маловероятно, что существуют два «сорта» глюона-1. По-видимому, это глюон одного вида (глюон-1), но его «сорт» зависит от пространственной ориентации волновой структуры глюона-1 по отношению к заряду частицы, Например: к частице -1/3 электронейтральная волновая структура глюона-1 ориентирована (примыкает,) электрическим полем (+), а к частице +2/3 — полем (-), рис.15.

Рис.15.Схема ориентации зарядов структуры облаков глюона-1 в кварках u и d.

2.2.10. Таким образом:

а) в кварке u (заряд положительный) волновая структура глюона («синусоида») ориентирована (примыкает) к поверхности кварка своими отрицательными полями, а в кварке d — своими положительными полями «синусоиды»;

б) такая схема ориентации обеспечивает высокую степень сцепления глюона-1 с частицей и позволяет сохранить на «поверхности» кварка ее заряд (или даже усилить его?);

в) поскольку глюон-1 примыкает непосредственно к заряженной поверхности дробной частицы, то плотность материи (степень сжатия) глюона-1 должна быть больше, чем у глюона-2.

Проблема 2.

2.2.11. Почему меньшая по массе 0,17МэВ и по заряду частица (-1/3) образует кварк (d), масса которого 3-7МэВ, а частица с бОльшей массой (0,34МэВ) и с бОльшим зарядом (+2/3) образует кварк (u) массой 1,5-3Мэв? То есть: поскольку кварк представляет собой составную частицу, состоящую из частицы-ядра и окружающего его «персонального» облака из глюона, то почему меньшая по заряду и массе частица -1/3 «притягивает» к себе в 2-4 раза больше глюона-1, чем бОльшая по массе и заряду частица (+2/3), хотя должно быть наоборот?

2.2.12. Поскольку все кварки имеют эталонные параметры, то и количество «притягиваемого» глюона также должно быть эталонным. (см. пункт 2.2.8б) Такая «эталонность» кварков может быть обеспечена только путем присоединения глюона в эталонных количествах, а значит и в эталонной пропорции. При этом пропорция этих количеств уже предельно четко и однозначно установлена Природой и продиктована величиной заряда и массой дробной частицы.

2.2.13. Частицы (+2/3) и (-1/3) являются эталонными дробными частями двух целых частиц (электрона и позитрона) и их массы составляют строго 2/3 и 1/3 части от массы целых эталонных электрона и позитрона. В этом случае дробной частице +2/3 не достает до массы целого позитрона 1/3 часть, а дробной частице -1/3 не достает 2/3 части до массы целого электрона. Таким образом, соотношение «недостающих» масс составляет ровно 1:2 (1/3 : 2/3 = 1:2), см. рис.16.

Рис. 16. Соотношение «недостатков» масс и зарядов у дробных частиц.

2.2.14. Безусловно, что при каждом удобном случае дробные частицы стремятся любыми способами восстановить свои параметры и превратиться в «полноценные» позитрон и электрон. Поэтому, при появлении глюона-1 они начинают «жадно» присоединять его в точно таких же пропорциях, то есть 1:2.

Это «законное» стремление восстановить свои параметры объясняется тем, что электрон и позитрон по заряду, массе и «габаритам» являются «максимально-минимальными» частицами (т.е.- они не могут быть больше и не могут быть меньше по массе, заряду, габаритам и другим характеристикам).

2.2.15. При такой пропорции глюон-1 фактически становится неотъемлемой частью дробной частицы и:

— достигается высокая степень сцепления дробной частицы с её «персональным» облаком;

— обеспечивается прочность всей конструкции образовавшегося кварка;

— автоматически выполняются все требования пункта 2.2.5б.

2.2.16. Таким образом:

1. Кварк представляет собой составную частицу, состоящую из ядра (частицы с дробным зарядом) и окружающего его «персонального» защитного облака из электронейтрального глюона-1.

2. Наличие «персонального» облака из электронейтрального глюона-1 обязательно, поскольку они (облака) защищают положительные и отрицательные дробные частицы от самоуничтожения (аннигиляции).

3. Целые электроны и позитроны не могут присоединять к себе глюон, поскольку они являются эталонными «максимально-минимальными» частицами.

4. Дробные частицы (+2/3) и (-1/3) могут присоединять глюон-1 только в пропорции 1:2. Поэтому соотношение масс глюона-1 между кварками u и d может составлять только 1:2.

5. Поскольку глюон-1 фактически превратился в неотъемлемую часть дробной частицы, то кварки становятся (по аналогии с электроном и позитроном) неделимыми частицами, т.е. их разделение (на частицы и глюон) невозможно.

Часть 2.3. Масса кварков.

2.3.1. Определение массы кварков основано на данных о процессе распада нейтрона (процессе превращения нейтрона в протон), поскольку:

— известна разница между массами нейтрона и протона (1,29333 МэВ);

— известна схема распада, которая сравнительно проста — в процессе распада происходит превращение одного из кварков d в кварк u с выделением электрона и антинейтрино, см. рис. 17-1.

Рис. 17-1. Схема распада нейтрона.

2.3.2. Таким образом, для определения массы кварков вполне достаточно двух исходных данных и одного утверждения:

1. Соотношение глюона-1 между кварками u:d составляет 1:2 (см. п. 2.2.13);

2. Разница между массами нейтрона и протона и, следовательно, между кварками d и u составляет 1,29333 МэВ. (9)

Утверждение: все процессы, связанные с перестройкой кварка d в кварк u происходят «внутри» кварка и за счет материи глюона-1 этого кварка.

2.3.3. Поскольку рассмотрение процесса превращения нейтрона в протон можно ограничить рассмотрением процесса превращения кварка d в кварк u, то определение массы глюона-1 в кварках (и, следовательно, полной массы кварков) сводится к простой арифметической задаче, (см. рис.17-2):

Рис.17-2. Расчет массы глюона-1.

1. d — u = 1,29333 МэВ

2. (0,17033 + х) — (0,34066 + х/2) = 1,29333

3. х = 2,92732 МэВ (х — масса глюона-1 в кварке d)

4. х/2 = 1,46366 МэВ (х/2 — масса глюона-1 в кварке u)

Результаты расчетов сведены на рис.18 и 19:

Рис.18. Материальный баланс комбинации кварков uud и протона.

Рис.19. Материальный баланс комбинации кварков udd и нейтрона.

2.3.4. Таким образом:

— масса кварка u составляет: 0,34066 + 1,46366 = 1,80432 МэВ.

— масса кварка d составляет: 0,17033 + 2,92732 = 3,09765 МэВ.

— в процессе распада нейтрона глюон-2 не принимает участия, поэтому у нейтрона и протона масса глюона-2 одинакова и составляют 931,56576 МэВ.

2.3.5. Итого по разделу 2:

1. Глюон — это электронейтральная уплотненная (и материализовавшаяся?) материнская СВЧ-волна, у которой энергия магнитного поля перешло в энергию электрических (+/-) полей. Других «материй» в Космосе для образования глюона не было, нет и быть не может.

2. Для сохранения своей электронейтральности, материя глюона обязана иметь волновую (+/-) структуру, поскольку только волновая структура позволяет «сосуществовать» разноименно заряженным электрическим (+/-) полям.

3. Дискретная структура глюона — исключается.

4. Основой для образования кварков могут быть только «твердые» дробные по массе и заряду частицы (+2/3) и (-1/3), образованные на базе позитрона и электрона. Другие варианты их появления — исключаются.

5. Кварк представляет собой составную частицу, состоящую из ядра-частицы с дробным зарядом и окружающего его «персонального» облака из электронейтрального глюона-1.

6. Наличие «персонального» облака из электронейтрального глюона-1- обязательно, поскольку они (облака) защищают положительные и отрицательные дробные частицы от самоуничтожения (аннигиляции).

7. В соответствии с требованием минимизации энергии все «твердые» частицы (электроны, позитроны и дробные частицы), а также все «составные» частицы (кварки, протоны, нейтроны и др.) имеют (обязаны иметь) сферическую форму.

8. Соотношение масс глюона-1 между кварками u и d может составлять только 1:2.

9. Масса кварков составляет: кварка u — 1,80432 МэВ, кварка d — 3,09765 МэВ.

10. Глюон-1 является неотъемлемой частью каждой дробной частицы, поэтому кварки являются неделимыми частицами и их разделение (на частицы и глюон) — невозможно.

Примечания:

2.3.6. Требуется объяснение: почему дробные частицы присоединяют к себе в несколько раз больше вещества (в 8,5931 раза), чем им необходимо? Например: частице +2/3 (0,34066 МэВ) до восстановления своих параметров (0,511Мэв) необходимо «добрать» массу 0,17033 МэВ, а фактически она присоединяет глюон-1 массой 1,46366 МэВ. То есть: почему 0,17033МэВ «твердой» материи позитрона эквивалентны массе 1.46366МэВ «рыхлого» глюона-1?

На сегодняшний день это объяснить затруднительно. По-видимому, коэффициент пропорции (8,5931) связан либо с характерной особенностью строения электрона и позитрона (только 0,511МэВ, и не больше и не меньше), либо с «архитектурой» волновой структуры глюона-1.

2.3.6. Также требуется объяснение: почему разные по массе и заряду комбинации кварков (uud — протон) и (udd — нейтрон) «окружаются» одинаковым количеством глюона-2 (931,56576 МэВ)?

Кварки и глюоны

Почти все наблюдаемые частицы принадлежат одному из двух семейств: яеитонам или адронам. Основное различие между ними состоит в том, что адроны участвуют в сильном взаимодействии, а лепто- ны не участвуют. Другое важное различие состоит в том, что в 60-х гг. были известны четыре лептона (е»,ц“,у,,уц) и их античастицы и более сотни адронов.

Лептоны считаются элементарными частицами, т. к. они, насколько известно, не распадаются на составные части, не обнаруживают никакой внутренней структуры и не имеют определенного размера. (Попытки определить размеры лептонов показали, что верхний предел составляет 10’18 м). С другой стороны, адроны оказались более сложными частицами. Обилие уже открытых и вновь открываемых адронов наводит на мысль, что все они построены из каких-то других, более фундаментальных, частиц. С наибольшим успехом эта идея реализована в кварковой модели адронов. Кварковая модель объясняет нс только

систематику, но и динамику адронов. Она приводит к массе оправдывающихся предсказаний и в настоящее время считается общепризнанной. В 1963 г. Гелл-Манном и независимо от него Цвейгом была выдвинута гипотеза, подтвержденная дальнейшими исследованиями, что все адроны построены из более фундаментальных частиц, которые, по предложению Гелл-Манна, были названы кварками. На основе кварковой гипотезы не только была понята структура уже известных адронов, но и предсказано существование новых. К настоящему времени установлено существование шести разновидностей (или так называемых ароматов) кварков: верхний — и, нижний — , странный — s, очарованный — с, прекрасный (прелестный) — /?, высший — Л Все кварки имеют спин 1/2 (фермионы), барионный заряд 1/3 и дробный электрический заряд. Кварки и, с, t называют верхними, т. к. они имеют дробный электрический заряд +2/3. Остальные кварки d, s, h с электрическим зарядом -1/3 принято называть нижними. Полный набор всех квантовых чисел для каждого кварка носит название аромат. Таким образом, кварки имеют шесть ароматов. Каждому кварку соответствует свой антикварк. Кварки являются «кирпичиками» адронов.

Кварковый состав барионов. Спин бариона полуцелый, поэтому ба- рионы состоят из нечетного (кроме одного) числа кварков. В основном барионы состоят из трех кварков (частицы с большим нечетным числом кварков, например из пяти — пентакварк, относятся к разряду экзотических). Рассмотрим случай, когда барион имеет спин, равный 1/2 (когда спины двух кварков параллельны, а спин третьего направлен противоположно). К таким частицам относятся, например, протон и нейтрон. Протон состоит из двух м-кварков и одного d-кварка (р —> uud), нейтрон состоит из одного м-кварка и двух {/-кварков (п —> udd). Их античастицы построены из антикварков: р —> uud, п —» udd.

Кварковый состав мезонов. Мезоны, обладая целочисленным спином (бозоны), построены из двух кварков: кварка и антикварка. Наиболее легкие заряженные мезоны представляются комбинациями ud и du. Это 71- мезоны: тг+ = ud, к~ = du . Нейтральный л°-мезон состоит также из кварка и антикварка. Но здесь проявляется необычное свойство микромира — линейная суперпозиция структур (состоящий, я°-мезон с равной вероятностью может находиться в состоянии ш7 и в состоянии dd (тг° = ий = dd ).

При создании бариона зачастую необходимо, чтобы два (или более) идентичных кварка находились в одном и том же состоянии. Омега- частица, например, состоит из трех .v-кварков, причем все эти кварки должны находиться в одном и том же состоянии. Это возможно только для частиц, которые подчиняются статистике Бозе — Эйнштейна. Кварки

имеют полуцелый спин, но при этом они должны удовлетворять статистике, которой подчиняются частицы, имеющие целый спин. Связь спина со статистикой являет собой непоколебимый принцип релятивистской квантовой механики. Его можно вывести непосредственно из теории, и его нарушений никогда не наблюдалось. Поскольку он справедлив для всех других известных частиц, то кварки невозможно исключить из области его господства.

Для выхода из этого тупика было предложено, что каждый аромат кварка имеет три разновидности, равные по массе, спину, электрическому заряду и всем прочим измеримым величинам, но различные по дополнительному свойству, которое стало известно иод названием цвет. Тогда можно было удовлетворить принципу исключения, и кварки могли оставаться фермионами, потому что в таком случае не все кварки в ба- рионс занимали бы одно и то же состояние. Кварки могут отличаться по цвету, даже если все остальные их свойства абсолютно одинаковы.

Квантовое число «цвет» приписывается всем кваркам, независимо от типа (аромата). Цвет имеет три значения. Обычно их обозначают красный (К), зеленый (3), синий (С). Каждый кварк обладает единичным цветовым зарядом К, 3 или С. Цвет соответствующего антикварка обозначается К (антикрасный), 3 (антизеленый), С (антисиний) и является дополнительным к цвету кварка. Сильное взаимодействие кварка не зависит от его цветового состояния, т. е. оно одинаково для всех трех цветов. Понятие «цвет» введено не случайно, а связано с аналогией. В видимом оптическом свете существуют три основных цвета (красный, зеленый, синий), которые при смешении дают белый, бесцветный свет. Все наблюдаемые адроны не обладают квантовым свойством «цвет», следовательно, они являются бесцветными (белыми). Барионы состоят из трех кварков, в них вес цвета (К, 3, С) смешаны равномерно. Мезоны состоят из двух кварков, окрашенных в цвет и антицвет. Так как антицвет является дополнительным к своему цвету, то комбинации К К, 3 3, С С считаются бесцветными (белыми).

По современным представлениям сильные взаимодействия осуществляются путем обмена между кварками безмассовыми частицами со спином 1 и нулевой массой покоя. Эти частицы называются глюонами (англ, glue — клей). Обмен глюонами между кварками меняет их цвет, но оставляет неизменными все остальные квантовые числа, т. е. сохраняет аромат кварка. Как и кварки, глюоны являются цветными частицами, но поскольку каждый глюон изменяет цвета сразу двух кварков (кварка, который испускает глюон, и кварка, который поглотил глюон), то глюон окрашен дважды, неся на себе цвет и антицвет, отличный от цвета.

Из трех цветов и антицветов можно составить всего девять комбинаций. Каждой такой окрашенной комбинации соответствует глюон, следовательно, возможно существование восьми глюонов, обладающих характеристикой «цвет». Глюоны электрически нейтральны и не обладают слабым взаимодействием. Глюоны взаимодействуют только с кварками и другими глюонами.

Взаимодействие глюонов между собой приводит к тому, что силовые линии цветного взаимодействия кварков представляют собой жгут силовых линий, протянутый между кварком и антикварком. Это отличается от электромагнитного взаимодействия, в котором силовые линии расходятся от их источника — электрического заряда — веером, ибо виртуальные фотоны, испущенные одновременно источником, нс взаимодействуют друг с другом. Сами глюоны, имея цветовые заряды, становятся источниками новых глюонов, число которых нарастает по мере их удаления от кварка.

Такая картина взаимодействия соответствует зависимости потенциальной энергии взаимодействия между кварками от расстояния между ними, показанной на рис. 4.2.1 До расстояния г 13 см зависимость U(г) имеет воронкообразный характер, причем сила цветового заряда в этой области расстояний относительно невелика, при этом кварки в этой области можно в первом приближении рассматривать как свободные, невзаимодействующие частицы. Это явление носит специальное название асимптотической свободы кварков при малых г. Однако при г больше некоторого критического гкр»1(Г13см величина

потенциальной энергии взаимодействия U(r) становится прямо пропорциональной величине г. Отсюда следует, что сила F = -dU / dr = const нс зависит от расстояния.

Рис. 4.2.1

Никакие другие взаимодействии, которые физики изучали ранее, не обладали столь необычным свойством. Расчеты показывают, что силы, действующие между кварком и антикварком, действительно, начиная

с г *10 13 см, перестают зависеть от расстояния, оставаясь на уровне огромной величины. На расстоянии г ~ КГ12 см (равном радиусу средних атомных ядер) цветные силы более чем в 100 тысяч раз больше электромагнитных сил. Если сравнить цветную силу с ядерными силами между протоном и нейтроном внутри ядра, то оказывается, что цветная сила в тысячи раз больше ядерных! Однако выделить цветную энергию невозможно. Это связано с тем, что при увеличении расстояния между кварками линейно растет потенциальная энергия взаимодействия до тех пор, пока энергетически становится более выгодным образовать разрыв с рождением кварк-антикварковой пары частиц. Это происходит тогда, когда потенциальная энергия в месте разрыва больше энергии покоя кварка и антикварка. Отделение кварка, например, от протона, составляющим которого он является, требует энергии ~1013 ГэВ. Но задолго до достижения такого уровня энергии вмешался бы другой процесс. Из энергии, поставленной для выделения одного кварка, материализовались бы новые кварк и антикварк. Новый кварк занял бы в протоне место удаленного, и частица была бы восстановлена. Новый антикварк прицепился бы к вытесненному кварку, образуя мезон. Вместо отделения цветного кварка мы добились бы лишь создания бесцветного мезона. Этот механизм не дает нам увидеть отдельный кварк, отдельный глюон или любую комбинацию кварков или глюонов, которая имела бы цвет.

Такие качественные представления о рождении кварка-антикварка позволяют понять, почему одиночные кварки вообще не наблюдаются и не могут наблюдаться в природе.

В цветовом взаимодействии участвуют три вида цветовых «зарядов», и эго приводит к «вечному пленению» кварков и глюонов внутри адронов, поэтому выделение цветовой энергии невозможно. Это явление нс- вылета кварков (глюонов) называется конфайнментом (ограничение, заключение, удержание). Следовательно, ядерные силы, как и силы Ван дер Ваальса, не являются действительно фундаментальными, а являются лишь слабым следом цветового (сильного) взаимодействия кварков и глюонов. Описание сильного взаимодействия кварков и глюонов дает специальная теоретическая дисциплина — квантовая хромодинамика (КХД).