КЭД – странная теория света и вещества

Рис. 79. Наша таблица частиц мира начинается с частиц «со спином 1/2». Это электрон (с массой 0,511 МэВ), и кварки двух «ароматов» u и d (с массой у каждого порядка 10 МэВ). Электрон и кварки имеют «заряд» (т. е. взаимодействуют с фотонами), равный (в единицах константы взаимодействия j) – 1/3, и +2/3.

Позвольте показать вам принятую сейчас таблицу фундаментальных частиц (см. рис. 79). Я начну с частиц, распространяющихся от точки к точке в соответствии с формулой Е(А – В), которая видоизменена, как и в случае электрона, чтобы учесть поляризацию. Они называются частицами «со спином ½». Первая из этих частиц – электрон, и его массовое число 0,511 (в единицах, которые мы все время используем – МэВ)[28].

Под электроном я оставлю свободное место (оно будет занято позднее), а еще ниже впишу кварки двух типов – d и и. Масса этих кварков точно не известна; предполагается, что у каждого она порядка 10 МэВ. (Нейтрон немного тяжелее протона, что вроде бы подразумевает – и вы это скоро увидите – что d-кварк несколько тяжелее, чем и-кварк.)

Рис. 80. Все частицы, состоящие из кварков, принадлежат к од-ному из двух классов. Одни состоят из кварка и антикварка, а другие из трех кварков. Самые известные из этих последних – протон и нейтрон. Заряды u-кварка и d-кварка комбинируются в +1 для протона и в 0 для нейтрона. Тот факт, что протон и нейтрон состоят из движущихся внутри них заряженных частиц, дает ключ к пониманию того, почему у протона магнитный момент превышает 1, а у, казалось бы, нейтрального нейтрона не равен нулю.

Вслед за каждой частицей я выписываю ее заряд или константу взаимодействия в единицах – j. Это число, взятое с обратным знаком, характеризует взаимодействие с фотоном. Таким образом, получается, что заряд электрона равен –1, что соответствует традиционному значению, введенному еще Бенджамином Франклином. Для d-кварка амплитуда взаимодействия с фотоном равна – ⅓, для и-кварка – +⅔. (Если бы Бенджамин Франклин знал о кварках, он мог бы по крайней мере сделать заряд электрона равным –3!)

Заряд протона равен +1, нейтрона – нулю. После некоторого подбора чисел вы можете видеть, что протон, состоящий из трех кварков, должен содержать два и-кварка и один d-кварк. А нейтрон, также состоящий из трех кварков, должен содержать два d-кварка и один и-кварк (см. рис. 80).

Что удерживает вместе кварки? Может быть, летающие взад и вперед фотоны? (d-кварк имеет заряд – ⅓, а u-кварк – +⅔, поэтому они, как и электроны, испускают и поглощают фотоны.) Нет, электрические силы слишком слабы для этого. Тогда придумали нечто другое, что летает взад и вперед и удерживает кварки вместе; это нечто назвали «глюоны»[29]. Глюоны, как и фотоны, еще пример частиц «со спином 1». Амплитуда попадания глюона из точки в точку определяется точно такой же формулой, что и для фотонов, Р(А – В). Амплитуда излучения или поглощения глюонов кварками равна таинственному числу g, которое значительно превосходит j (см. рис. 81).

Диаграммы, изображающие обмен кварков глюонами, очень похожи на картинки, на которых мы изображали обмен электронов фотонами (см. рис. 82). Настолько похожи, что вы можете сказать, что у физиков нет воображения – теория сильных взаимодействий просто копирует квантовую электродинамику! И вы правы: так и есть – но с некоторыми особенностями.

Рис. 81. «Глюоны» удерживают вместе кварки, составляющие протоны и нейтроны, и косвенно ответственны за притяжение протонов и нейтронов друг к другу в атомном ядре. Глюоны удерживают кварки силами, значительно превышающими электрические. Константа взаимодействия с глюонами g значительно превосходит j. Поэтому вычислять диаграммы глюонными взаимодействиями гораздо труднее, и наилучшая точность, на которую пока можно надеяться, не превышает 10 %.