§ 8.7. Взаимодействие кварков. Глюоны

Определения и обозначения

Кварк — фундаментальная частица, из которых состоят адроны: барионы и мезоны. Из кварков построены, например, протон и нейтрон. Известны шесть ароматов кварков: u, d, s, c, b, t; их электрические заряды равны +2/3e или −1/3e.

Цветовой заряд — особый заряд кварка, определяющий его участие в сильном взаимодействии. Его обозначают словами «красный», «зелёный» и «синий», но это не настоящие цвета, а условные квантовые характеристики. Такое обозначение помогает описывать, какие сочетания кварков образуют устойчивые цветонейтральные частицы.

Глюон — частица-переносчик сильного взаимодействия между кварками. В отличие от фотона, глюон сам обладает цветовым зарядом, поэтому глюоны могут взаимодействовать друг с другом. Именно обмен глюонами изменяет цвет кварков и связывает их в адроны.

Конфайнмент — невозможность наблюдать свободные кварки из-за их постоянного объединения в цветонейтральные системы. При удалении кварков энергия связи не исчезает, а увеличивается. Поэтому попытка разорвать адрон приводит не к выделению кварка, а к появлению новых адронов.

Как это устроено

Протон, нейтрон и другие адроны считают связанными системами кварков, потому что их свойства объясняются составом и взаимодействием этих частиц. Например, протон имеет состав uud, а нейтрон — udd; сумма электрических зарядов кварков даёт заряд всей частицы. Значит, адрон не является бесструктурной элементарной частицей, хотя внутри него кварки нельзя извлечь по одному.

У каждого кварка есть цветовой заряд, и именно он определяет его участие в сильном взаимодействии. Барион содержит три кварка разных цветов, а мезон — кварк и антикварк с соответствующими противоположными цветовыми характеристиками. Такое сочетание даёт цветонейтральную систему, поэтому наблюдаемые адроны не проявляют суммарного цветового заряда.

Кварки обмениваются глюонами, и этот обмен передаёт сильное взаимодействие. В процессе испускания или поглощения глюона цвет кварка может изменяться, но общие законы сохранения выполняются. Фотон не имеет электрического заряда и потому не вступает в обычное электромагнитное взаимодействие с другими фотонами, а глюон несёт цветовой заряд и может взаимодействовать с глюонами.

При увеличении расстояния между кварками поле сильного взаимодействия не рассеивается так, как электрическое поле точечного заряда. Энергия системы растёт, словно между кварками натягивается упругая нить. Когда энергии становится достаточно, рождается пара кварк–антикварк, и исходная система распадается на цветонейтральные адроны, а не на свободные кварки.

На очень малых расстояниях кварки взаимодействуют слабее и могут вести себя почти как свободные частицы; это называют асимптотической свободой. При увеличении расстояния сильное взаимодействие становится эффективнее, поэтому кварки оказываются заперты внутри адронов. Так одновременно объясняются почти свободное движение кварков внутри короткоживущего процесса и отсутствие изолированных кварков в детекторах.

Кварки и глюоны в сильном взаимодействии

Таблица позволяет отдельно сравнить электрический и цветовой заряды: это разные характеристики одной частицы. По строке о роли видно, что кварки образуют состав адронов, а глюоны обеспечивают их связь. Строки о свободном существовании напоминают, что конфайнмент относится не только к кваркам, но и к переносчикам цветового взаимодействия.

Разбор задач

Задача 1. Заряды протона и нейтрона

Протон состоит из двух u-кварков и одного d-кварка, нейтрон — из одного u-кварка и двух d-кварков. Заряды кварков равны q_u = +2/3e и q_d = −1/3e. Нужно найти суммарный электрический заряд каждой частицы.

1. Для протона складываем заряды составляющих: q_p = 2q_u + q_d = 2 · 2/3e − 1/3e.
2. Приводим дроби к общему знаменателю: q_p = 4/3e − 1/3e = e. Это положительный элементарный заряд.
3. Для нейтрона записываем q_n = q_u + 2q_d = 2/3e − 2/3e = 0.

Ответ: заряд протона равен +e, заряд нейтрона равен 0.

Задача 2. Состав и заряд π⁺-мезона

Нужно записать состав положительно заряженного π⁺-мезона с использованием u- и d-кварков, а также соответствующих антикварков. Мезон состоит из кварка и антикварка, поэтому важно не заменить анти-d обычным d. Заряд u равен +2/3e, а заряд анти-d противоположен заряду d и равен +1/3e.

1. Для получения положительного мезона выбираем u-кварк и анти-d-кварк: π⁺ = u anti-d.
2. Складываем электрические заряды: q(π⁺) = 2/3e + 1/3e.
3. Получаем q(π⁺) = +e, что совпадает с обозначением «плюс» у мезона.

Ответ: π⁺-мезон имеет состав u anti-d и заряд +e.

Задача 3. Удаление кварка из протона

Предположим, что внешнее воздействие пытается вырвать кварк из протона. На малом расстоянии кварки можно разделить, однако дальнейшее удаление требует всё большей энергии. Нужно объяснить, почему результатом становятся новые адроны, а не свободный кварк.

1. При увеличении расстояния между кварками энергия сильного взаимодействия растёт из-за конфайнмента. Поэтому система не переходит к состоянию с изолированным кварком.
2. Когда накопленной энергии хватает, из вакуума рождается пара кварк–антикварк. Новый антикварк может объединиться с исходным кварком протона, а новый кварк — с оставшейся системой.
3. Кварки группируются в цветонейтральные комбинации, которые разлетаются как барионы и мезоны. Детектор регистрирует эти адроны, а не отдельный кварк.

Ответ: попытка удалить кварк увеличивает энергию поля и приводит к рождению кварк–антикварковой пары, поэтому образуются новые адроны.

Типичные ошибки

Считать глюон аналогом фотона без дополнительных свойств. Так думают, потому что обе частицы переносят взаимодействие. Проверка: вспомните, что глюон несёт цветовой заряд и взаимодействует с другими глюонами, а фотон электрически нейтрален.

Полагать, что кварки можно наблюдать по отдельности. Ошибка возникает из-за представления о кварках как о маленьких частицах внутри протона. Проверка проста: свободные кварки не регистрируются, поскольку действует конфайнмент и возникают адроны.

Путать электрический и цветовой заряд. Электрический заряд определяет электромагнитное взаимодействие, а цветовой — сильное; слова «красный» и «синий» не обозначают заряд в кулонах. При проверке нужно отдельно складывать электрические заряды и отдельно анализировать цветовую нейтральность.

Считать, что сильное взаимодействие всегда ослабевает с расстоянием. Такое правило знакомо по электромагнитному взаимодействию, но для кварков оно не работает на больших расстояниях. Проверка: при раздвижении кварков энергия растёт, пока не образуются новые цветонейтральные адроны.

Связь с другими темами

Для понимания темы нужны знания о строении атома, составе протона и нейтрона, электрическом заряде и признаках элементарной частицы. Она опирается на общее представление о фундаментальных взаимодействиях и их переносчиках. В дальнейшем кварки и глюоны помогают объяснить свойства адронов, ядерные силы, процессы с элементарными частицами и результаты столкновений высоких энергий.

Что запомнить

• Кварки входят в состав адронов.
• Сильное взаимодействие кварков переносится глюонами.
• Кварки имеют цветовой заряд.
• Глюоны сами несут цветовой заряд и могут взаимодействовать друг с другом.
• Наблюдаемые адроны являются цветонейтральными системами.
• Свободные кварки не наблюдаются из-за конфайнмента.
• На малых расстояниях кварки взаимодействуют слабее, чем на больших.