Основні положення сучасної теорії сильної взаємодії



ФІЗИКА

Частина 6 ФІЗИКА АТОМНОГО ЯДРА І ЕЛЕМЕНТАРНИХ ЧАСТИНОК

Розділ 18 ФІЗИКА ЕЛЕМЕНТАРНИХ ЧАСТИНОК

18.11. Основні положення сучасної теорії сильної взаємодії

Допускається, що нуклони складаються з точкових об’єктів – кварків і глюонів, які рухаються практично вільно всередині нуклона. Проте, незважаючи на це, кварки не вдалося виділити з нуклона і зафіксувати у вільному стані навіть при максимально доступних енергіях. Існування глюонів також виявляється лише опосередковано. Щоб пояснити це, було висунуто гіпотезу про

стале положення (або невиліт) кварків і глюонів. Згідно з цією гіпотезою енергія, яку потрібно затратити на розщеплення нуклонів, зростає зі збільшенням відстані, і тому виділення чистого кварка потребує нескінченно великої енергії. В реальних експериментах, де енергія обмежена, замість вилітання кварків спостерігається множинне народження піонів. Гіпотезу невильоту до цього часу не доведено теоретично, але весь накопичений досвід свідчить на її користь.

Вчені дійшли до специфічної теорії сильних взаємодій, запропонувавши три кольори кварків і калібрувальну групу симетрії SUС (3). Ця теорія відома нині під назвою

квантової хромодинаміки (КХД)*. Термін “хромо” означає, що сили діють не між електричними, а між кольоровими зарядами. Сила взаємодії визначається деякою безрозмірною константою зв’язку, яка значно більша за електромагнітну. В той час як електромагнетизм пов’язаний лише з одним типом заряду, в сильній взаємодії діють три основних кольори: червоний, зелений і синій. Будь-який колір є деякою комбінацією основних кольорових зарядів.

Є кілька способів визначення кольорових зарядів. Розглянемо один із них. Він передбачає три види кольорових зарядів. Назвемо їх “червоний мінус зелений” (R-G), “зелений мінус синій” (G-В) і “синій мінус червоний” (B-R). Значення кожного заряду може бути +1/2, -1/2 або 0 і кожний кварковий колір має свою комбінацію зарядів. Кварк буде червоним, якщо він має заряди R – G = +1/2, G – В = 0 і В – R = -1/2. Зелений кварк має заряди R – G = -1/2, G – В = +1/2 і В – G = 0. Заряди синього кварка такі: R – G = 0, G – В = =-1/2 і В – R = +1/2. Антикольори, пов’язані з антикварками, утворюються простою заміною знаків усіх зарядів.

Кожну із цих комбінацій підібрано так, що сума трьох зарядів дорівнює нулю. Ніякі інші комбінації, крім досліджуваних, не мають цих властивостей. (Частина, яка не має кольорового заряду, не є кварком.) Рівність нулю суми трьох кольорових зарядів вказує на те, що кожний із цих зарядів не є незалежним від останніх двох. Якщо відомі будь-які два заряди, третій можна визначити.

У системі, яка містить один червоний, один зелений і один синій кварк, повне значення кольорового заряду також дорівнює нулю. Комбінація трьох кольорів приводить нас до кольоронейтрального стану. Отже, утворюються кольоронейтральні адрони, такі, як протон. Безкольорова система може утворюватись комбінуванням кольору з відповідним антикольором. Прикладом такого способу утворення адронів може бути π-мезон.

Механізм передачі сильної взаємодії подібний до механізму передачі електромагнітної взаємодії: взаємодія між двома зарядженими частинками описується як обмін деякою третьою частинкою. Проте квантова хромодинаміка більш різноманітна. Якщо квантова електродинаміка оперує з одним безмасовим фотоном, то КХД має вісім безмасових частинок, названих глюонами. Більше того, фотон не має електричного заряду, а деякі глюони переносять кольоровий заряд. Наявність заряджених частинок-переносників докорінно змінює характер взаємодії.

Оскільки глюони заряджені, вони не лише переносять сильну взаємодію, а й можуть змінювати колір кварків. Якби не було заряджених глюонів, сильна взаємодія змінювалась би з відстанню так, як і електромагнітна. Сильна взаємодія між кварками на великих відстанях ще не вивчена, але допускається, що сила взаємодії не зменшується, як квадрат відстані, а залишається сталою незалежно від відстані. Якщо це так, то потрібна нескінченно велика енергія для розділення двох кольорових кварків, що може бути поясненням невильоту кварків із адронів.

Очевидно, що глюони, відповідальні за тотожні переходи, не повинні мати кольорових зарядів, інакше вони б змінювали колір кварків. Здавалося б, що повинні існувати три таких кольоронейтральних глюони, по одному для кожного тотожного перетворення. Проте оскільки досить двох незалежних кольорових зарядів, щоб дістати три кваркових кольори, існує лише два кольоронейтральних глюони, які позначаються так: G1 і G2.

Сильна взаємодія описується теорією, в якій зв’язок глюонів з кварками можна передати за допомогою матриці три на три (рис. 18.3). Будь-який колір із лівої колонки може перетворитися в будь-який колір із верхнього ряду. Перехід здійснюється глюоном, що розміщується на перетині відповідного рядка і стовпчика. Наприклад, червоний кварк може випромінювати глюон і стати синім.

Основні положення сучасної теорії сильної взаємодії

Рис. 18.3

Схему визначення кольорових зарядів кварків і глюонів зображено на рис. 18.4. У триплеті кварків, що містить по одному кварку кожного кольору, сума значень кожного заряду дорівнює нулю. Шість глюонів мають такі кольорові заряди, щоб можна було перетворити кварки з одного кольору в інший. Із розподілу зарядів у кварковому триплеті й наявності заряджених глюонів випливає вимога квантування кольорового заряду: можуть бути лише цілі і півцілі значення кольорового заряду.

Основні положення сучасної теорії сильної взаємодії

Рис. 18.4

Згідно з квантовою теорією принципово неможливо побудувати певний об’єкт мікросвіту з частинок все менших і менших мас, що займають все менші об’єми. Справа в тому, що згідно із співвідношенням невизначеностей Гейзенберга (див. підрозділ 16.5) енергія частинок, а отже, і маса мають збільшуватись зі зменшенням ділянки локалізації їх у цьому об’єкті. На відміну від традиційних уявлень про структуру матерії, відповідно до яких об’єкти створились із частинок все менших і менших мас, виникла ідея створити частинки певної маси з частинок, які мають більші маси.

Так виникла ідея будувати адрони з більш масивних кварків. Кварки склеєні між собою глюонами. На рис. 18.5 зображено схему побудови восьми баріонів із трьох кварків. Щоб одержати антибаріони, треба кварки замінити на антикварки. Побудову мезонів можна зрозуміти з рис. 18.6. Побудова мезонів відрізняється від будови баріонів тим, що вони складаються з одного кварка і одного антикварна. Крім того, нейтральний піон проявляється частково як и + Основні положення сучасної теорії сильної взаємодії, а частково як d + Основні положення сучасної теорії сильної взаємодії. Із кварків можна побудувати також інші частинки.

Основні положення сучасної теорії сильної взаємодії Основні положення сучасної теорії сильної взаємодії

Рис. 18.5 Рис. 18.6

Новий кварково-глюонний рівень будови речовини не є простою копією попередніх гіпотез через те, що ці об’єкти мають особливі властивості, які раніше не спостерігалися в мікросвіті. Наприклад, за певних умов можна розщепити атом на ядро і електрони, ядро атома на його складові частини. Кварки ж, хоча і рухаються всередині нуклона майже вільно, принципово невіддільні один від одного. Динаміка взаємодії між кварками і глюонами всередині частинок нині інтенсивно вивчається, але багато важливих питань ще залишаються без відповіді. Передній край досліджень просунувся далі, і вчені намагаються відповісти на нові питання, зокрема як побудовані субкварки – об’єкти, з яких, як припускається, можуть складатися кварки.

_______________________________________________________________________

*Цю назву, як і термін “глюони”, ввели Г. Фрітч, М. Гелл-Манн і Г. Летвейлер (1973 р.). Кольорову взаємодію вперше ввів Й. Намбу (1966 р.).


1 Звезда2 Звезды3 Звезды4 Звезды5 Звезд (No Ratings Yet)
Loading...


Прилад для вимірювання сили.
Ви зараз читаєте: Основні положення сучасної теорії сильної взаємодії