§93. Взаимодействие кварков

Определения и обозначения

Цветовой заряд — особый заряд кварка, определяющий его участие в сильном взаимодействии; у кварков есть три условные разновидности: красная, зелёная и синяя. Слово «цвет» здесь не означает оттенок, который можно увидеть. Это свойство нужно, чтобы описывать, как кварки взаимодействуют и какие сочетания образуют адроны.

Глюон — частица-переносчик сильного взаимодействия, связывающая кварки и сама обладающая цветовым зарядом. При обмене глюонами кварки могут менять свои цветовые состояния. Понятие глюона позволяет описать не только передачу взаимодействия, но и участие его переносчиков в самом взаимодействии.

Конфайнмент — невозможность наблюдать отдельный кварк вне связанных частиц. Кварки входят в состав адронов, например протонов и нейтронов, и не покидают их как свободные частицы. Это понятие объясняет, почему в опытах обнаруживают адроны, а не одиночные кварки.

Асимптотическая свобода — ослабление сильного взаимодействия между кварками при очень малых расстояниях. На таких масштабах кварки взаимодействуют слабее и ведут себя почти как свободные. Это понятие описывает изменение силы взаимодействия при изменении расстояния между кварками.

Как это устроено

Электрический заряд объясняет электромагнитное взаимодействие, но кваркам необходимо также приписать свойство, отвечающее за сильное. Им стал цветовой заряд: он позволяет различать состояния кварков в квантовой теории сильного взаимодействия. Три названия — красный, зелёный и синий — условны и не связаны с реальным цветом частиц. У антикварков вместо цветов используют соответствующие антицвета, что помогает описывать их сочетания с кварками.

Кварки взаимодействуют, обмениваясь глюонами: такой обмен меняет их цветовые состояния и передаёт сильное взаимодействие. Но глюон сам несёт цветовой заряд, поэтому он не просто посредник, который не замечает остальных переносчиков. Глюоны могут взаимодействовать друг с другом и образовывать сложную систему. Фотон, напротив, не имеет электрического заряда и потому не участвует непосредственно в электромагнитном взаимодействии так, как заряженные частицы.

Наблюдаемые частицы должны быть бесцветными, то есть их суммарный цветовой заряд должен компенсироваться. В барионе три кварка сочетаются так, что вместе дают бесцветную комбинацию; условно говорят, что в ней представлены три цвета. В мезоне кварк соединён с антикварком соответствующего антицвета, и их заряды взаимно компенсируются. Такие правила объясняют, почему адроны существуют как целые частицы, а не как произвольные группы кварков с ненулевым цветом.

Если пытаться удалить кварк из адрона, расстояние между ним и остальными кварками растёт, а энергия сильного взаимодействия не исчезает. В конце концов этой энергии может хватить на рождение новой пары кварк–антикварк. Выделенный кварк связывается с вновь возникшим антикварком, а оставшаяся часть — с новым кварком; в результате получаются адроны, а не свободный кварк. Поэтому повышение энергии столкновения не позволяет просто вырвать кварк и увидеть его отдельно.

Сила сильного взаимодействия зависит от расстояния между кварками. На больших расстояниях связь не ослабевает так, как можно было бы ожидать от обычного дальнодействующего взаимодействия; поэтому разделение требует всё большей энергии и проявляется конфайнмент. На очень малых расстояниях взаимодействие, напротив, становится слабее — это асимптотическая свобода. Оба эффекта относятся к одной силе и не противоречат друг другу: они описывают её поведение в разных масштабах.

Цветовой заряд и глюоны в сильном взаимодействии

Сравнивайте столбцы, чтобы отличать свойства кварков, антикварков и переносчиков взаимодействия. Строка о бесцветных комбинациях помогает проверить, может ли набор частиц входить в состав наблюдаемого адрона. Названия цветов условны, поэтому их не нужно представлять как реальные окраски.

Разбор задач

Состав протона и нейтрона

Условие. Протон состоит из двух u-кварков и одного d-кварка, а нейтрон — из одного u-кварка и двух d-кварков. Требуется записать состав частиц в принятом обозначении. Индексы и электрические заряды здесь вычислять не нужно. Важно правильно сосчитать кварки каждого типа.

1. Для протона перечисляем заданные составляющие: два u-кварка и один d-кварк.
2. Записываем их подряд, используя обозначение состава: uud.
3. Для нейтрона берём один u-кварк и два d-кварка, поэтому получаем udd.

Ответ. Состав протона — uud, состав нейтрона — udd. Проверка проста: в обоих случаях в частице три кварка, как и должно быть у бариона. Порядок записи не меняет числа кварков каждого типа.

Кварк и антикварк

Условие. Нужно объяснить, почему кварк и антикварк с соответствующими цветом и антицветом могут образовать бесцветную комбинацию. Например, рассмотрим условный красный кварк и анти-красный антикварк. Речь идёт о цветовом заряде, а не об электрическом.

1. У кварка есть цветовой заряд, например красный.
2. У антикварка имеется соответствующий антицвет — анти-красный.
3. Цвет и соответствующий антицвет взаимно компенсируются, поэтому суммарный цветовой заряд такой пары нейтрален.
4. Следовательно, пара может образовать бесцветную комбинацию кварка и антикварка, характерную для мезона.

Ответ. Цвет и соответствующий антицвет взаимно компенсируются, поэтому пара может быть бесцветной. Это правило относится к цветовому заряду и не означает, что частицы уничтожают друг друга. При проверке важно сопоставлять именно цвет с соответствующим антицветом.

Попытка удалить кварк из адрона

Условие. Представим, что из адрона пытаются удалить один кварк, увеличивая расстояние до остальных. Нужно определить, получится ли свободный кварк, и назвать возможный результат процесса. Одного факта, что кварк был частью адрона, для ответа недостаточно: нужно учесть поведение сильного взаимодействия.

1. При разделении кварков растёт энергия сильного взаимодействия, связанного с их цветовыми зарядами.
2. Когда энергии достаточно, может родиться новая пара кварк–антикварк.
3. Новый кварк и антикварк соединяются с разными частями исходной системы, образуя связанные частицы.
4. Поскольку кварки остаются внутри адронов, одиночный свободный кварк не возникает.

Ответ. Получить свободный кварк не удаётся: действует конфайнмент. Вместо этого может родиться пара кварк–антикварк, и система распадается на новые адроны. Так энергия, затраченная на разделение, превращается в новые частицы.

Типичные ошибки

Цветовой заряд иногда принимают за настоящий цвет или оттенок частицы. Такое прочтение возникает из-за обычного значения слова «цвет», но физический термин обозначает квантовое свойство. Проверьте себя: если объяснение говорит об окраске кварка, оно неверно; если о его участии в сильном взаимодействии — верно.

Можно подумать, что глюон только переносит взаимодействие, но сам в нём не участвует. Так рассуждают по аналогии с фотоном, однако у глюона есть цветовой заряд. Проверка: спросите, несёт ли переносчик заряд сильного взаимодействия; для глюона ответ положительный, поэтому он взаимодействует с другими глюонами.

Конфайнмент иногда понимают как запрет кваркам двигаться внутри адрона. Путаница возникает потому, что термин связывают с удержанием, но он запрещает свободное существование кварков вне связанных частиц. Проверяйте формулировку: кварки могут двигаться внутри адрона, а невозможность получить отдельный кварк относится к наблюдению снаружи.

Асимптотическую свободу можно ошибочно отнести к большим расстояниям. Это происходит, если запомнить слово «свобода», не связав его с условием, при котором она появляется. Проверка: при малых расстояниях сильное взаимодействие ослабевает, а на больших кварки остаются связанными; именно это различие позволяет не путать понятия.

Связь с другими темами

Для понимания взаимодействия кварков нужно знать состав протонов, нейтронов и других адронов, а также различать кварк и антикварк. Тема опирается на представление о сильном взаимодействии и обмене частицами-переносчиками. Позднее конфайнмент и асимптотическая свобода помогут объяснять строение адронов и результаты высокоэнергетических столкновений частиц. Так свойства отдельных кварков связываются с тем, что обнаруживают в опытах.

Что запомнить

• Кварки участвуют в сильном взаимодействии благодаря цветовому заряду.
• Глюоны переносят сильное взаимодействие и сами несут цветовой заряд.
• Наблюдаемые адроны являются бесцветными комбинациями кварков.
• Свободные кварки не наблюдаются из-за конфайнмента.
• На малых расстояниях сильное взаимодействие между кварками ослабевает.
• При попытке разделить кварки могут рождаться новые пары кварк–антикварк.