Кварки появились сначала как теоретическая концепция, необходимая при попытках построить субатомные частицы из комбинаций более фундаментальных объектов. Кварки стали реальностью, когда бомбардировка протонов электронами в Станфордском ускорительном центре (SLAC) показала, что внутри протона электроны наталкиваются на точечно подобные объекты. С тех пор при создании любых теорий стоит проблема: как ограничить свободу кварков?
По-видимому, кварки связаны друг с другом только малыми силами. В то же время их невозможно «вытащить» из протона наружу. Отсюда возникла идея, что кварки удерживаются в протоне силами, которые становятся больше по мере увеличения расстояния между ними. Именно поэтому кварки не могут разойтись дальше, чем на расстояния порядка диаметра протона (т.е. дальше, чем на один ферми, или 10/13 см ). Таким образом, протон является прочным «мешком» для кварков, откуда они не могут ускользнуть.
Силы, удерживающие кварки вместе, называются цветовыми. Говорят, что каждый кварк несет цветовой заряд. Теорию цветовых взаимодействий, развитую в последнее десятилетие, называют квантовой хромодинамикой. В 1980 г. были получены экспериментальные данные, которые заставляют усомниться в ограничениях, наложенных на свободу кварков. В тяжелых атомных ядрах (например, в железе-56), состоящих из большого числа протонов, кварки, по-видимому, обретают поразительную подвижность.
Эксперименты проводились на синхротроне Европейской организации ядерных исследований (ЦЕРН) в Женеве группой физиков, известной под названием Европейской мюонной коллаборации (European Muon Collaboration, EMC). В каждом эксперименте ядра железа бомбардировались мюонами — субатомными частицами с зарядом электрона и массой, в 207 раз превышающей массу электрона. Так же как и электроны, мюоны взаимодействуют с ядрами в основном посредством электромагнитных сил.
Поэтому характер их «рассеяния» на препятствиях не слишком сложен с теоретической точки зрения. Экспериментаторы фиксировали энергию и угол рассеяния каждого мюона. Отсюда они смогли вывести закон распределения импульса между точечно подобными объектами (пред- положительно, кварками), образующими внутреннюю структуру протонов. Именно для выяснения этой внутренней структуры и использовалось «просвечивание» мюонами.
Уже в первых экспериментах в Станфорде было найдено, что только около 35% импульса протона можно отнести на счет движения так называемых валентных кварков — двух w-кварков и одного кварка, из которых, как принято считать, состоит протон. 50% импульса протона приходится на долю глюонов — частиц, обмен которыми и порождает силы, связывающие кварки (т.е. цветовые взаимодействия). Оставшиеся 15% импульса уносятся «морскими» кварками — множеством кварк-антикварковых пар, существование которых диктуется законами квантовой теории поля.
В квантовой теории поля сочетаются принципы квантовой механики и теории относительности; она призвана описывать динамику любых субатомных частиц, в том числе и кварков. Часть внутренней энергии протона сосредоточена в квантовых полях, которые «заявляют» о своем присутствии (например, при просвечивании мюонами) рождением множества кварков и глюонов. Оказалось, что в ядре железа кварки отличаются двумя свойствами. Прежде всего валентные кварки несут меньшую долю импульса, чем они должны были бы нести в изолированном протоне.
Кроме того, в этом случае «морских» кварков гораздо больше: примерно на 60%. Характерная энергия связи протонов и нейтронов в ядре составляет по порядку величины 10 млн. электронвольт. Полагают, что энергия, отвечающая внутренней структуре протонов и нейтронов, по крайней мере в 10 раз больше. И все же связь протонов и нейтронов каким-то образом приводит к такой «перетасовке» импульса, когда возникают новые «морские» кварки. Попытку объяснить эти наблюдения предпринял Р. Джаффе из Массачусетского технологического института.
Он предположил, что в ядре железа валентные кварки «частично освобождены», потому что размер трех кварковых мешков велик по сравнению с расстояниями между нуклонами в тяжелых ядрах. В результате мешки перекрываются и валентные кварки могут «просачиваться» из одного мешка в другой. Здесь начинает действовать принцип неопределенности — одна из основных доктрин квантовой механики. Из него следует, что при увеличении размеров области, доступной для кварков, их импульс должен уменьшаться. Но почему же появляются новые «морские» кварки? Чтобы ответить на этот вопрос, Ф. Клоуз, Р. Роберте и Г. Росс из Резерфордовской лаборатории в Англии обобщили идеи Р. Джаффе.