Суперсила - Пол Девис

Как только идея удержания кварков получила всеобщее признание, возникла мысль, способна ли КХД объяснить его. Вычисления оказались чрезвычайно трудными, хотя и выявили ряд обнадеживающих моментов. С физической точки зрения удалось в общих чертах понять, каким образом взаимодействие между кварками усиливается с ростом расстояния.

Основное различие между электромагнитным полем, в котором сила убывает с увеличением расстояния, и глюонным полем состоит в том, что фотоны не имеют электрического заряда. Если бы у них был электрический заряд, то мир изменился бы до неузнаваемости. В отличие от фотонов глюоны несут цветовой “заряд” в различных комбинациях, например в комбинации красно-антизеленый. Но цвет – источник сильного взаимодействия. Следовательно, глюоны не только соединяют кварки, но и стремятся соединиться друг о другом. Это существенно усложняет ситуацию, но тщательный анализ приводит к мысли, что эта универсальная “липкость” глюонов, возможно, является ключом к объяснению удержания кварков.

Чтобы уяснить это, нам придется вернуться к понятию квантового вакуума. Посмотрим прежде всего, что произойдет с электроном, если его поместить в вакуум. Напомним, что пространство вокруг электрона в действительности не пусто, а заполнено виртуальными частицами всевозможных сортов, в том числе виртуальными электронами и виртуальными позитронами. Хотя мы непосредственно не наблюдаем эти виртуальные частицы, известно, что они тем не менее существуют и могут создавать физические эффекты. Электрон, помещенный в вакуум, также “узнает” об их существовании, так как они “отзовутся” на его появление. Электрическое поле электрона внесет возмущения в поведение виртуальных электронов и позитронов на протяжении их недолгого существования. Виртуальные позитроны будут притягиваться к электрону под действием силы электрического притяжения, а виртуальные электроны – отталкиваться от него. В распределении заряда возникает смещение, называемое поляризацией. То, что пустое пространство в присутствии электрического поля может стать электрически поляризованным, является любопытным следствием квантовой теории. Трудно представить себе вакуум, обладающий электрическими свойствами, однако поляризация вакуума – эффект вполне реальный и его нетрудно измерить экспериментально.

Поляризация вакуума приводит к тому, что вокруг электрона в вакууме возникает своего рода экран, нейтрализующий действие электрического заряда. Избавиться от этого экрана электрон никак не может, поскольку он является неотъемлемой частью облака виртуальных частиц, окружающих все электроны. Вследствие экранирования эффективный заряд электрона издали кажется меньше реального. Введя зонд внутрь облака, мы почувствовали бы “голый” электрон, имеющий гораздо больший заряд. По мере проникновения зонда в облако мы обнаружим, что простой закон обратных квадратов, выполняющийся на некотором расстоянии от заряда, перестает быть справедливым из-за облака виртуальных позитронов, окутывающих электрон. Таким образом, поляризация вакуума, или вакуумная экранировка, может изменить характер зависимости силы от расстояния.

Экранировка возникает и в глюонном поле, где она приводит к изменению цветового заряда кварков. Виртуальные антикварки стремятся облепить кварк “противоположного” цвета. Например, красный кварк притягивает облако антикрасных антикварков. Как и в случае электромагнитного взаимодействия, происходит частичная нейтрализация цветового заряда. Однако на этот раз Дополнительный вклад в поляризацию вакуума вносят глюоны.

Поскольку глюоны также обладают цветом, виртуальные глюоны в вакууме “откликаются” на присутствие кварка. Оказывается, что глюонное облако действует не так, как облако кварков: оно стремится не нейтрализовать, а усилить цветовой заряд центрального кварка. Поэтому действие виртуальных глюонов противоположно действию виртуальных кварков, и, как показывают детальные вычисления, глюоны одерживают верх: в итоге совместного действия виртуальных глюонов и кварков вакуум усиливает цветовой заряд центрального кварка, а не ослабляет его.

Это обстоятельство оказывает серьезное влияние на взаимодействие кварков. Когда кварк проникает в облако виртуальных частиц своего “партнера”, эффективный цветовой заряд кварка внутри облака ослабевает, и взаимодействие уменьшается. Вторгшись внутрь облака, кварк избавляется от взаимодействия с другими кварками. Ослабевая, взаимодействие между кварками утрачивает свою силу. Подобная ситуация прямо противоположна той, с которой мы сталкиваемся в электромагнетизме, и как раз пригодна для объяснения пленения ксарков.

Было бы преждевременно предсказывать КХД беспрецедентный успех, сопутствовавший КЭД на протяжении более сорока лет ее существования. Тем не менее достижения КХД весьма впечатляющи. Еще в 60-е годы физика адронов казалась запутанным переплетением сил и необузданных частиц. КХД распутала этот клубок, заложив простые основы теории адронов со сравнительно небольшим числом параметров.

С появлением КХД все существующие в природе взаимодействия, наконец, приобрели единое описание на основе калибровочных полей. Это принесло новые надежды. Успешное объединение слабого и электромагнитного взаимодействий в рамках теории калибровочных полей подсказало возможность дальнейшего объединения. В 1973 г. Шелдон Глэшоу и Говард Джорджи опубликовали теорию, в которой новое электрослабое взаимодействие сливалось б сильным (глюонным) в великое единое взаимодействие. Это была первая теория Великого объединения, ТВО. Ныне существует несколько конкурирующих ТВО, но все они основаны на одной и той же идее.

Если электрослабое и сильное взаимодействия в действительности представляют собой лишь две стороны великого единого взаимодействия, то последнему должно соответствовать калибровочное поле с детально разработанной симметрией, достаточно широкой, чтобы охватить все калибровочные симметрии, содержащиеся в КХД и теории Вайнберга – Салама. Отыскание такой симметрии – задача математики. Единой симметрии, которая обладала бы всеми нужными свойствами, не существует, отсюда и обилие конкурирующих теорий. Тем не менее все ТВО имеют ряд общих особенностей.

Одна из них состоит в том, что кварки, источники (носители) сильного взаимодействия, и лептоны, источники (носители) электрослабого взаимодействия, включаются в единую теоретическую схему. До сих пор кварки и лептоны рассматривались как совершенно различные объекты, так что их включение в единую теорию было совершенно новой идеей. Оно ознаменовало еще один важный шаг на пути к объединению.

Калибровочные симметрии, входящие в ТВО, можно наглядно представить с помощью все той же “волшебной ручки”, перемешивающей природу частиц, но с большим числом указателей. Вместо двух указателей, как в случае электрослабого взаимодействия, и трех – в случае КХД, теперь требуется пять указателей. От поворота ручки ТВО зависит очень многое. Ручки с пятью указателями позволяют делать то, что было не под силу ручкам с меньшим числом указателей: превращать кварки в лептоны и даже в антикварки, т.е. осуществлять переходы, абсолютно запрещенные в прежних теориях.

Как и прежде, требование, чтобы в природе с помощью компенсирующих полей соблюдалась абстрактная калибровочная симметрия (на этот раз более широкая), приводит нас к открытию (чисто теоретическому) новых типов полей, обладающих новыми свойствами, например способностью превращать кварки в лептоны. В простейшем варианте ТВО, предложенном Джорджи и Глэшоу, волшебная ручка связывает вместе красные, зеленые и синие d-кварки, позитрон и антинейтрино. Для этого требуется двадцать четыре поля. Двенадцать из квантов этих полей уже известны: фотон, две W-частицы, Z-частица и восемь глюонов.

Остальные двенадцать квантов – новые, объединенные общим названием Х-частицы. Эти кванты соответствуют полям, поддерживающим более широкую калибровочную симметрию и перемешивающим кварки с лептонами (это соответствует положениям волшебной ручки, при которых происходит смешивание, например, красного d-кварка и позитрона). Следовательно, кванты этих полей, Х-частицы, могут превращать кварки в лептоны (и наоборот), если те обмениваются ими как переносчиками взаимодей-ствия. Электрический заряд Х-частиц равен 1/3 и 4/3.

Проследим теперь за судьбой типичного адрона, который испытывает на себе действие этих необычных Х-частиц. В качестве такого адрона удобно выбрать протон, состоящий из двух u-кварков и одного d-кварка. d- Кварк смешивается с позитроном посредством великой калибровочной симметрии Великого объединения в может превращаться в позитрон путем обмена Х-частицей с нужными характеристиками, в данном случае с надлежащим цветовым зарядом и электрическим зарядом —4/3. Эта Х-частица должна быть передана какой-то другой частице, которой может служить один из u-кварков протона. Поглощая Х-частицу, и-кварк превращается в антии-кварк.