21

ЛЕКЦИЯ 11

Содержание

1. Отсутствие кварков в свободном состоянии.

2. Эксперименты, подтверждающие наличие кварков в адронах:

- Глубоконеупругое рассеяние электронов нуклонами;

- Струи адронов;

- Проявление цвета кварков в e⁺e^--аннигиляции;

3. Тяжелые кварки - c, b, t.

После формулировки кварковой модели некоторое время многие полагали, что эта модель - лишь удобный и изящный способ классификации адронов. Но возрастающее число фактов указывало на то, что кварковая модель отражала реальную ситуацию. Нет ни одного факта, противоречащего этой модели. Более того, есть опыты, которые подтверждают существование кварков. Целью данной лекции является описание некоторых из этих опытов и их результатов.

1. Отсутствие кварков в свободном состоянии

Если все адроны состоят из кварков, то естественны попытки обнаружить их в свободном состоянии. Казалось бы обнаружение кварков не такая уж сверхсложная задача. Они имеют дробный электрический заряд и его нельзя нейтрализовать никаким числом электронов или протонов. Если, например, в капле масла один кварк, ее заряд будет дробным. Опыты с капельками в начале века позволили определить заряд электрона. Опыты с подвешиванием заряда повторили после возникновения кварковой модели. Результат - отрицательный. Ограничение на концентрацию дробнозарядных частиц согласно этим опытам <10^-21 кварк/нуклон.

Протоны космических лучей достигают энергий 10¹¹ ГэВ. Можно было предположить, что они, взаимодействуя с атмосферой, могут выбивать кварки. Последние, становясь центрами конденсации водяных паров, падали бы с дождями на землю и в конце концов попадали бы в озера, моря и океаны. Этот механизм действовал бы постоянно (распасться же в связи с дробным зарядом самый легкий кварк не может) и концентрация кварков в водоемах Земли должна расти со временем. Оценки показывают, что за время существования Земли могло за счет этого механизма накопиться 10⁵ кварков в 1 см³ воды. Если сравнить это с концентрацией протонов n_p=10²⁴ ñì^-3, то один кварк приходится на 10¹⁹ протонов. Этот предел (10^-19) давно превышен числом 10^-27. Это число дал точный масс-спектроскопический анализ воды. Делались попытки обнаружить кварки непосредственно в космических лучах. Получено следующее ограничение на кварковый поток из космоса <210^-15 ñì^-2 ñåê^-1 ñð^-1.

Кварки искали и в метеоритах и в специфическом излучении атмосфер звезд, если бы в них были атомы, где роль ядра играет кварк, или атомы с кварком на внутренних оболочках. Все эти попытки оказались безрезультатными. Кварки не обнаруживают ни в свободном состоянии, ни в ускорительных экспериментах. Сегодня большинство специалистов склоняется к тому, что в свободном состоянии кварков нет. Говорят о пленении (конфайнменте) кварков в адронах.

На примере системы кварк-антикварк () можно пояснить процесс невылетания кварков (рис.11.1). На малых расстояниях силовые линии цветового поля выглядят также как и кулоновского поля. Когда кварк и антикварк расходятся, их цветовое взаимодействие становится сильнее. Из-за взаимодействия глюонов друг с другом силовые линии цветового поля между q ина увеличенных расстояниях сжаты в трубкообразную область. Это отлично от случая кулоновского поля, где ничто не препятствует силовым линиям расходиться. Нет взаимодействия между фотонами, которое бы их удерживало друг вблизи друга (кванты поля двигаются вдоль силовых линий). Если в цветовой трубке плотность энергии на единицу длины постоянна и равна , то потенциальная энергия взаимодействия между q ибудет возрастать при их отдалении: V(r)=r, так что кварки никогда не смогут вылететь. Таков вкратце механизм удержания кварков в бесцветных адронах.

Ðèñ. 11.1

Расходящаяся пара растягивает цветовые силовые линии до тех пор, пока возрастающая потенциальная энергия не окажется достаточной для образования новой пары. Родившиеся q и- конечные точки разорванных силовых линий, так что трубка делится на две (а при дальнейшем растяжении и на три, четыре и т.д.) более коротких трубки с меньшей полной энергией. Это похоже на то, как нельзя оторвать полюса магнита друг от друга (рис.11.2).

Ðèñ. 11.2

В целом взаимодействие между двумя кварками описывается потенциалом типа воронки

, (11.1)

где первое слагаемое, доминирующее на малых (<0.2 фм) расстояниях, создается обменом одиночными глюонами и имеет тот же вид, что и потенциал кулоновского взаимодействия между единичными зарядами

V_êóë . (11.2)

(Следует помнить, что константа взаимодействия и квадрат заряда связаны соотношением (8.5)). Второе слагаемое, доминирующее на больших расстояниях, обусловлено механизмом конфайнмента - удержания кварков в адронах и создается многоглюонным обменом. При этом из эксперимента 1 ГэВ/фм. Таким образом, для того, чтобы раздвинуть два кварка на расстояние 1 см нужна фантасти-ческая энергия 10¹³ ГэВ. Силы, действующие между двумя кварками на больших расстояниях, напоминают силы, создаваемые растягиваемой пружиной. Говорят о "мягкой пружине конфайнмента", имея ввиду то, что ее потенциальная энергия пропорциональна r, а не r², как у жесткой механической пружины.

Рис. 11.3. Потенциалы сильного и кулоновского взаимодействий

(_s0.3, 1 ÃýÂ/ôì).