Асимптотическая свобода и конфайнмент
С. Транковский..
Нобелевская премия по физике 2004 года присуждена американским
исследователям Дэвиду Гроссу, Дэвиду Политцеру и Фрэнку Вильчеку за "открытие
явления асимптотической свободы в теории сильных взаимодействий".
Частицы, участвующие в сильном взаимодействии, - адроны,
к которым, в частности, относятся протоны и нейтроны, состоят из кварков (см.
"Наука и жизнь" № 8, 1994 г.). Имеется шесть "сортов" (физики
называют их "ароматами") кварков, и у каждого есть свой антикварк. Кварковая
модель предполагает, что один тип адронов (барионы) состоит из трех кварков, другой
(мезоны) - из кварка и антикварка. Но здесь возникает сложность: из законов квантовой
механики следует, что стабильной частица будет, только обладая наименьшей энергией,
когда все кварки находятся в одном и том же состоянии. Это, однако, запрещено так
называемым принципом Паули: кварки имеют полуцелый спин (1/2) и относятся к классу
фермионов.
Выход предложили российские физики Н. Н. Боголюбов, Б.
В. Струминский, А. Н. Тахвелидзе и японец Й. Намбу. Они ввели еще одно квантовое
число - "цвет", который способен принимать три разных значения - красный,
синий и зеленый (в отечественной литературе по предложению академика Л. Б. Окуня
принят желто-сине-красный набор). Антикварки обладают дополнительными цветами (фиолетовым,
оранжевым и зеленым). Кварки могут быть любого цвета, но в частице сочетаются в
таких цветовых состояниях, что в сумме дают "белый цвет", поэтому адроны
"бесцветны". Цветовые заряды взаимодействуют аналогично зарядам электрическим:
одинаковые отталкиваются, противоположные притягиваются, обмениваясь квантами цветового
поля - глюонами. Характер их взаимодействий, весьма сложный, определяется законами
квантовой хромодинамики. Наиболее важный вывод из них состоит в том, что и сами
глюоны, переносчики сильного взаимодействия между кварками, в отличие от фотонов,
квантов электромагнитного взаимодействия, электрических зарядов не имеющих, тоже
обладают цветовым зарядом (академик Л. Б. Окунь образно назвал их "светящимся
светом"). Это приводит к так называемому явлению антиэкранировки заряда: эффективные
заряды кварков и глюонов велики на большом расстоянии, а при его уменьшении становятся
малыми. Расчеты, проделанные на основе теории, показывают, что константа кваркового
взаимодействия прямо пропорциональна расстоянию между кварками. Иными словами, чем
ближе кварки друг к другу, тем взаимодействие между ними становится слабее, асимптотически
уменьшаясь до нуля. В масштабах адрона кварки ведут себя как свободные частицы,
а при попытке разорвать адрон сила их взаимного притяжения резко возрастает. И все
попытки получить кварк-глюонную плазму, "разбив" протоны в ускорителе
на встречных пучках, наталкиваются на большие технические трудности. Этот парадоксальный
закон квантовой хромодинамики и получил название асимптотичес кой свободы, а удержание
цветных кварков внутри "бесцветных" адронов именуется конфайнментом (от
англ. confinement - ограничение).
Теория асимптотической свободы была создана в 1973 году;
она внесла крупный вклад в Стандартную модель, описывающую фундаментальные взаимодействия
- электромагнитное, сильное и слабое - между элементарными частицами. Благодаря
созданию этой теории надежно установлены и проработаны все качественные параметры
сильного взаимодействия на малых расстояниях (порядка размера адрона) и сделан важный
шаг в познании глубинных свойств материи.
«Зависимость константы
взаимодействия a от величины передаваемой глюонами энергии.»
С увеличением энергии (ее значения приведены в логарифмическом
масштабе), то есть при сближении кварков, константа взаимодействия асимптотически
уменьшается, стремясь к нулю. Это и означает, что на малых расстояниях порядка размеров
адрона кварки ведут себя практически как свободные частицы.
Список литературы
Для подготовки данной работы были использованы материалы
с сайта http://www.nkj.ru/