Красота физики. Постигая устройство природы

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.