Сильное взаимодействие кварков

Вопрос сильного взаимодействия стоит разбить на две части: сначала рассмотрим основу - цветовой заряд кварков, а затем перейдем к глюонам - частицам-переносчикам сильного взаимодействия.

Цветовой заряд кварков

В 1970-х годах была построена теория сильного взаимодействия кварков, которая называется квантовой хромодинамикой.

В основе квантовой хромодинамики лежит постулат: кварк любого аромата обладает особым зарядом, который и обеспечивает его участие в сильном взаимодействии — точно так же, как электрический заряд обеспечивает участие в электромагнитном взаимодействии. Этот особый заряд назвали цветовым, или просто цветом. Термин «цвет», конечно же, не имеет никакого отношения к оптическим цветам (как и термин «аромат» — к запахам). В сильном взаимодействии цветовой заряд играет роль, аналогичную электрическому заряду как источнику электромагнитного поля.

Электрический заряд, как мы помним, бывает положительным и отрицательным, и при соединении равных количеств «плюсов» и «минусов» происходит нейтрализация заряда. Можно назвать «плюс» и «минус» «зарядом» и «антизарядом». Такая же ситуация наблюдается и с цветовым зарядом: есть цвет и антицвет. Суммарный цветовой заряд, как и электрический, в изолированной системе сохраняется.

Но в отличие от электрического заряда, цветовых зарядов имеется три вида (и, соответственно, три антицвета). Эти три вида цветового заряда назвали красным (R), синим (B) и зелёным (G). Каждый цвет имеет дополнение в виде своего антицвета: антикрасный (R˜), антисиний (B˜), антизелёный (G˜).

Каждый кварк может иметь любой из трёх цветов. Антикварки обладают антицветом.

Барионы состоят из трёх кварков разного цвета — говорят, что барион бесцветен (это напоминает то, как в оптике сумма трех основных цветов дает белый цвет).

Мезоны тоже бесцветны, потому что составляющая мезон пара кварк-антикварк несёт любой цвет и его антицвет (например, RR˜).

Глюоны и сильное взаимодействие

Цветовой заряд является источником особого поля — цветового, состоящего из частиц-переносчиков сильного взаимодействия. Этих переносчиков называют глюонами (от англ. «glue» — клей).

Глюоны не имеют ни массы, ни электрического заряда. Каждый глюон несёт цветовой заряд «цвет — антицвет», причем возможны все комбинации любого цвета и любого антицвета (например, RG˜, RB˜, GB˜ и т.д.)

Испуская и поглощая глюоны, кварки меняют цвет. Например, красный кварк, испуская глюон с цветом RB, отдает ему свой красный цвет и превращается в синий кварк, так что суммарный цветовой заряд сохраняется: R = RB˜ + B. Синий кварк, поглотив такой глюон, превращается в красный кварк.

Кварки внутри адронов всё время обмениваются глюонами и меняют свои цвета («мерцают»), не нарушая при этом бесцветности адронов.

Но не только кварки могут испускать глюоны. Поскольку глюон несёт цветовой заряд, он способен сам излучить и поглотить другой глюон. Аналогов этому процессу (чтобы частицы-переносчики одновременно являлись и участниками) в других типах взаимодействий нет.

Глюонное поле склеивает кварки в адронах.

Но глюоны стремятся также соединиться друг с другом. Поэтому глюоны внутри адронов не рассеиваются в пространстве, подобно облакам, а образуют «глюонные струны» между кварками. Это приводит к уникальным свойствам сильного взаимодействия, отличающим его от других фундаментальных взаимодействий.

Одним из таких свойств является конфайнмент (от англ. «confinement» — пленение, заключение). Кварки и глюоны никогда не наблюдаются в свободном состоянии. Все поиски их на ускорителях или в космических лучах оказались безуспешны. Кварки и глюоны заключены в адроны, как в темницу. Почему?

Причиной конфайнмента является необычное свойство взаимодействия между кварками и между глюонами: оно возрастает с увеличением расстояния между частицами. При малых расстояниях (меньших размера адрона) силы притяжения малы, так что кварки внутри адрона являются практически свободными (как мухи в стакане). Образно говоря, глюонные струны на малых расстояниях «провисают», и кварки внутри адронов обретают способность двигаться независимо друг от друга.

Если же расстояние между кварками возрастает, то глюонная струна растягивается, её энергия возрастает, и кварки испытывают всё более сильное притяжение (такую же ситуацию мы наблюдаем с механической пружиной). Чтобы всё сильнее растягивать глюонную струну, требуется всё большая энергия. Когда подведённая энергия становится достаточно большой, струна разрывается, и на оборванных ее концах рождается новая пара кварк-антикварк. «Старые» и «новые» кварки мгновенно группируются в новые адроны. Поэтому при столкновениях адронов с большой энергией не удаётся «выбить» из них свободные кварки и глюоны — вместо этого происходит рождение новых адронов.

И всё же на Большом адронном коллайдере, сталкивая встречные пучки тяжёлых ионов с огромными энергиями, удалось получить капли кварк-глюонной плазмы — состояния, когда кварки и глюоны из адронов освободились и перемешались на короткое время. Ученые полагают, что в истории Вселенной существовал краткий период, когда температура и плотность были столь велики, что кварки и глюоны не успевали объединяться в адроны и образовывали кварк-глюонную плазму.