Свободные кварки в нуклоне

Драма идей в познании природы

Если рассеяние меняет внутреннее состояние частиц, участвующих в рассеянии, то говорят о неупругом рассеянии. В рассеянии частиц высокой энергии состояние нуклона меняется настолько сильно, что вводят специальный термин - глубоконеупругое рассеяние. Рассеяние адрона на нуклоне - это взаимодействие двух сложных составных объектов. А вот лептон (или фотон) в сильном взаимодействии не участвует. И его превращения можно рассчитывать количественно.

Физика взаимодействия лептонов с адронами позволила заглянуть внутрь адронов, экспериментально исследовать свойства их составляющих. Такие исследования начали интенсивно проводиться в конце 1960-х - начале 1970-х годов с созданием на ускорителях интенсивных пучков энергичных лептонов.

Подобно тому как альфа-частицы в опытах Резерфорда взаимодействовали с отдельными составляющими атома, проникая в глубь нуклона, лептоны взаимодействовали с отдельными его составляющими. Нуклон оказывался действительно составной частицей, составленной из кварков. Опыты по глубоконеупругому рассеянию подтверждали асимптотическую свободу цветового взаимодействия.

Асимптотическая свобода цветового взаимодействия обеспечивает слабое взаимное влияние составляющих нуклона в процессах глубоконеупругого рассеяния лептонов. В этих процессах лептон передает кварку большую энергию DE и большой импульс DP. Этот процесс происходит очень быстро за время примерно h/DE. Из-за асимптотической свободы взаимодействия кварков с глюонами передать всю эту энергию и импульс сразу, так сказать, "единым глюоном", кварк не может - вероятность этого мала. Более вероятна передача энергии и импульса по частям - вероятность этого больше, но и характерное время передачи энергии и импульса по частям - небольшими порциями - оказывается значительно больше, чем время взаимодействия кварков с лептонами.

Поэтому с лептонами кварк взаимодействует быстро, а с окружающими его в нуклоне кварками и глюонами - медленно. В кратковременном процессе взаимодействия лептона с кварком медленные процессы взаимодействия с другими кварками не успевают проявиться. Вот почему глубоконеупругое рассеяние лептонов на нуклонах выглядит так, как если бы кварки в нуклоне вообще не взаимодействовали. Но наиболее яркие подтверждения квантовой хромодинамики связаны с открытием очарованного кварка.

Я.Б.Зельдович, М.Ю.Хлопов, 1988 год