Реальность глюонов и кварков

Драма идей в познании природы

Если глюоны и кварки отсутствуют в свободном состоянии вследствие эффектов конфайнмента цветового заряда, то можно ли их рассматривать как реальные объекты? Можно ли назвать кварки и глюоны составляющими частицами, если адрон принципиально нельзя на них разделить?

На протяжении нашей книги мы уже проследили изменение представления о частицах. Частицы могут рождаться и уничтожаться. Могут превращаться друг в друга. Могут быть нестабильными и распадаться на другие более легкие частицы. Важно, чтобы у частиц были определенные характеристики (спин, масса, электрический заряд, ...). Важно, чтобы мы могли наблюдать следы их образования. Кварки и глюоны имеют определенные характеристики. Кварки и глюоны можно назвать частицами, поскольку имеются наблюдательные эффекты их существования на малых расстояниях. Эти эффекты проявляются в образовании струй адронов.

Если бы кварки реально не существовали, то рождающиеся в электрон-позитронной аннигиляции адроны разлетались бы по разным направлениям. Но если сначала образуются кварки и антикварки, разлетающиеся с большой энергией в противоположные стороны, то и образующиеся затем адроны должны разлетаться в том же направлении, в котором первоначально летели кварк и антикварк. Кварк и антикварк выступают в роли шланга, направляющего движение двух адронных струй, или в роли концов каната, который натягивается и разрывается.

Кварк и антикварк могут разлетаться под разными углами относительно направления движения сталкивающихся электрона и позитрона. Но в каждом отдельном событии аннигиляции направление разлета кварка и антикварка фиксировано. Это направление и определяет направление разлета струй адронов. Если собрать все события электрон-позитронной аннигиляции и наложить одно на другое, мы получим ту же картину. Но в каждом отдельном событии мы имеем не равномерное распределение адронов по всем углам, а концентрацию всех адронов, рождаемых в данном событии, вдоль одного направления. Имеем две разлетающиеся в противоположные стороны адронные струи. Именно такую двухструйную картину, а не равномерное распределение адронов по всем углам и наблюдают в эксперименте по электрон-позитронной аннигиляции. Образование двух струй адронов в аннигиляции рассматривают поэтому как доказательство реального существования кварков.

Электрон и позитрон оставляют след в камере Вильсона, разбивая атомы на своем пути. Подобно этому струи адронов - это следы кварков в вакууме, рождающих по пути кварк-антикварковые пары.

Адронные струи наблюдают и в процессах глубоконеупругого рассеяния лептонов на нуклонах и даже в процессах взаимодействия адронов. В последнем случае происходит большая передача импульса и энергии, так что процесс эффективно определяется взаимодействием отдельных кварков или глюонов. Экспериментально пока не удается определить, образована данная струя кварком или глюоном. Однако то, что глюоны несомненно образуются и формируют адронные струи, было установлено в экспериментах по электрон-позитронной аннигиляции.

Дело в том, что квантовая хромодинамика предсказывала, что с ростом энергии сталкивающихся электрона и позитрона возрастает относительная вероятность того, что образующиеся в электрон-позитронной аннигиляции кварк или антикварк могут испускать глюон под достаточно большим углом к направлению разлета кварка и антикварка (глюоны электронейтральны и не имеют взаимодействия с электромагнитными квантами, электронами и позитронами. В электрон-позитронной аннигиляции глюоны могут образовываться только после рождения пары кварк-антикварк). Вместо двух струй адронов в этом случае должны наблюдаться три струи адронов. Поэтому согласно квантовой хромодинамике следовало ожидать, что с повышением энергии сталкивающихся электронов и позитронов наряду с двухструйными событиями должно появляться и некоторое количество трехструйных событий. И в 1979 году такие трехструйные события действительно были обнаружены. Открытие трехструйных событий служило доказательством существования глюонов.

Каждому типу взаимодействия частиц отвечает свой тип зарядов - источников поля соответствующего взаимодействия. Так оказалось возможным единообразно описать такие внешне разные взаимодействия, как электромагнитное, слабое и сильное. Но заряды слабого взаимодействия обладают еще одним специфическим свойством; несохранением пространственной четности.

Я.Б.Зельдович, М.Ю.Хлопов, 1988 год