Кварки, протоны, Вселенная

Если в один из кварков, находящихся внутри элементарной частицы, выстрелить очень быстрым электроном этот кварк получит большой импульс и отскочит. Но это движение будет продолжаться лишь до тех пор, пока удерживающие его глюонные силы не возрастут настолько, что их энергии станет достаточно для рождения пары кварка и антикварка. Антикварк и выбитый электроном кварк «слипнутся» в мезон, а оставшийся кварк займет внутри частицы место выбитого. И в результате все будет выглядеть так, будто кварк остался на месте и одновременно, как бы из ничего, родился мезон. Такой процесс «размножения» кварков и попытался изобразить Политцер...

Теперь должно стать понятно, почему не удается расколоть нуклон на три кварка: сколько по нему ни бей, из него всякий раз будут вылетать целые частицы, а не их осколки — кварки и глюоны!

Впрочем, все эти соображения о свойствах глюонных сил имеют пока только качественный характер. Ни теория, ни эксперимент не могут сказать, достаточно ли этих сил для полного удержания кварков внутри элементарных частиц. Специалисты предполагают, что это так, но здесь могут быть и сюрпризы.

Нельзя сказать, чтобы ученых удовлетворяло создавшееся положение. Один физик как-то заметил, что конференции по теорий кварков напоминают ему историю о том, как однажды мыши собрались на конгресс, чтобы решить, что им делать с разбойником-котом. Долго и с жаром спорили, судили, рядили, пока одна из них не предложила:

— Надо подвесить ему колокольчик!

— Правильно! — обрадовались остальные и, довольные найденным решением, стали расходиться.

— Но кто же это сделает? — нерешительно пискнул молодой мышонок.

— Детали — в рабочем порядке! — оборвал его председатель...

В любой науке, не только в физике, есть утверждения, доказательство которых приходится откладывать до лучших времен. А уж когда имеешь дело с экспериментом, гипотез никак не избежать. Строгая теория придет потом, а на первых порах это единственная возможность как-то осмыслить и привести в порядок результаты опытов.

Чтобы лучше понять природу и свойства сил, запирающих кварки внутри частиц, физики строят теоретические модели. Эти модели не только учитывают уже известные факты, но и содержат новые предположения. Результаты модельных расчетов проверяются опытом. Модель уточняется. За этим следуют новые эксперименты.

В правильности гипотезы «кварковой тюрьмы» внутри элементарных частиц, или «конфаймента» (в буквальном переводе с английского «тюремное заключение», как часто говорят физики, убеждают нас успехи хромодинамики. Так по аналогии с электродинамикой называют теперь раздел физики, изучающий кварк-глюонные взаимодействия. Электродинамика описывает взаимодействие фотонов с электрическим зарядом, хромодинамика — взаимодействие глюонов с цветовым зарядом. Она хорошо согласуется с опытом, и из ее формул следует, что связь «цветных» частиц действительно становится более сильной при увеличении расстояния между ними. К сожалению, точно решать уравнения хромодинамики мы умеем пока только для малых расстояний, в других случаях возможны лишь приблизительные модельные прикидки.

Неожиданный результат получается, если с помощью хромодинамики вычислить массу кварков на малых расстояниях, где они свободные, почти не взаимодействующие частицы. Оказывается, невзаимодействующие кварки очень легки: они весят в 100 раз меньше нуклона. Большей массой обладает кварк, входящий в состав странных частиц, но и он почти в 10 раз легче нуклона. Лишь у «очарованного» и «прелестного» кварка масса больше, чем у нуклона. Но эти кварки встречаются редко, окружающее нас вещество можно «слепить» почти без всякого их участия. Их было много лишь тогда, когда происходил синтез кваркового вещества.

С первого взгляда идея о легких кварках может показаться странной — как же из трех легких кварков «склеить» тяжелый нуклон? Откуда взять недостающую массу? Нельзя, однако, забывать о том, что нуклон состоит из трех кварков и окружающей их глюонной «шубы». Она-то в основном и дает недостающую массу. Легче всего «голые» кварки в центре нуклона. Но чуть только мы попытаемся «растащить» их, как тотчас возникнет сильное поле взаимодействия и кварки прибавят в весе. Чем дальше от центра частицы, тем они тяжелее, внутри элементарной частицы кварки ведут себя так, словно между ними натянуты некие эластичные нити.

На малых расстояниях эти нити расслаблены и не мешают движению кварков, а вот когда кварки пытаются разойтись, нити натягиваются и тем сильнее, чем дальше кварки удаляются друг от друга. Это самая простая модель «центральной свободы и периферического рабства» кварков.