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.