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 Стэнфордском 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. 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”, “ЕМС”).
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 (предположительно, кварками), образующими внутреннюю структуру протонов. Именно для выяснения этой внутренней структуры и использовалось «просвечивание» мюонами.
Уже в первых экспериментах в Стэнфорде было найдено, что только около 35% импульса протона можно отнести насчет движения так называемых валентных кварков — двух “u-кварков” и одного “d-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 трехкварковых 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. Робертс и Г. Росс из Резерфордовской лаборатории в Англии обобщили идеи Р. Джаффе. Они отметили, что взаимодействие мюона с кварком внутри протона характеризуется двумя пространственными масштабами.
- Первый масштаб характерен для процесса просвечивания мишени мюонами. Согласно квантовой хромодинамике, цветовой заряд кварка приводит к появлению окружающего его квантового поля, что равносильно возникновению вокруг него облака глюонов. Относительное количество этих глюонов уменьшается по мере удаления от траектории кварка.
Это во многом напоминает ситуацию, когда электрический заряд движется с большой скоростью (составляющей заметную часть скорости света) и порождает электромагнитное поле, т.е. облако фотонов.
При просвечивании мюон может сбить кварк с его пути. Однако какая-то часть окружавших его глюонов (по крайней мере те из них, которые расположены на некотором минимальном расстоянии от кварка) будет продолжать двигаться без изменений. При увеличении энергии мюон ближе подлетает к кварку и поэтому освобождает большее число глюонов. Затем эти глюоны могут проявиться в виде «морских» кварковых пар. Подобным же образом фотоны, освобождающиеся из облака вокруг быстро движущегося электрона, порождают электрон- позитронные пары.
- Второй пространственный масштаб, характеризующий взаимодействие мюона с кварком, связан с теми расстояниями, на которые кварк может перемешаться в ядерной материи. В квантовой теории поля математическое описание движения кварка производится с помощью так называемых операторов.
Один оператор производит удаление кварка из некоторой точки в ядре, второй — соответствует его появлению в другой точке. Произведение этих двух операторов дает величину «ожидания», характеризующую «средний путь» кварка. Величина «ожидания» является мерой свободы, которой пользуется частица.
Клоуз с коллегами заметили, что в квантовой хромодинамике имеется лишь один параметр с размерностью длины, т.е. один-единственный пространственный масштаб. Тогда изменение масштаба, характеризующего процесс просвечивания, должно приводить к тем же явлениям, что и изменение масштаба, характеризующего степень свободы кварка.
Если первый приводит к изменению числа «морских» кварков, то так же должен действовать и второй. Клоуз с коллегами провели конкретный расчет и показали, что если в тяжелых ядрах кварки будут на 10—20% свободнее, чем в изолированном протоне, то проявятся обе стороны EMC-эффекта; валентные кварки будут нести меньший импульс, а число «морских» кварков увеличится.
Предположение о частичном освобождении кварков в тяжелых ядрах воодушевило некоторых теоретиков — была даже высказана гипотеза, согласно которой мюоны достаточно высокой энергии могут настолько увеличить степень свободы кварков, что характерный масштаб сравняется с размерами ядер.
Тогда кварки смогли бы двигаться по всему ядру, которое стало бы проводником цвета, подобно тому как металлы проводят электричество. Менее радикальная позиция — это просто состояние удовлетворения, что подтверждаются предсказания квантовой хромодинамики.
Выдвигаются гипотезы о том, что ядерная материя на очень ранних стадиях эволюции Вселенной представляла собой газ свободных кварков и глюонов, которые затем объединились в протоны и нейтроны. Для создания такого газа необходимы экстремально высокие температуры или экстремально высокие плотности ядерной материи (а может быть, и то и другое одновременно).
Энтузиазм ученых, склонных предпринять такую попытку, может быть подкреплен тем фактом, что даже при нормальных плотностях ядер может происходить частичное освобождение кварков.
