Квантова хромодинаміка

Матеріал з Вікіпедії — вільної енциклопедії.
Перейти до: навігація, пошук

Квантова хромодинаміка — розділ теоретичної фізики, який описує сильну взаємодію між кварками через глюонні поля. Вона є складовою частиною Стандартної Моделі. Грецький корінь хромо, що означає колір, пов'язаний із тим фактом, що одним із основних понять квантової хромодинаміки є квантове число, що називається кольоровим зарядом. Квантова хромодинаміка є подібною до квантової електродинаміки, що описує взаємодію заряжених частинок через фотони, носії електромагнітної взаємодії, проте між ними є важливі принципові відмінності. По-перше, електричний заряд може приймати лише два значення (позитивний і негативний), а кварк може мати три значення кольору, що, умовно, позначаються як червоний, жовний і синій. При цьому, антикваркам властиві, відповідно, античервоний, антижовтий і антисиній кольори. По-друге, глюони, носії сильної взаємодії, також мають кольоровий заряд, тоді як фотони — електрично нейтральні. По-третє — симетрія КХД відрізняється від симетрії КЕД, через що, два ряди однакових поворотів у кольоровому просторі можуть дати різні кінцеві результати, якщо вони були проведені в різній послідовності.[1] Все це робить рівняння квантової хромодинаміки дуже нелінійними, і значно складнішими, ніж квантової електродинаміки.

З математичної точки зору квантова хромодинаміка — калібрувальна теорія, побудована на групі симетрії SU(3). Група SU(3) це група матриць 3x3 із визначником, рівним одиниці. В матриці 3x3 дев'ять елементів, вимога рівності одиниці визначника зводить число незалежних елементів до восьми. Тому всі об'єкти квантової хромодинаміки групуються у вісімки.

Характерними рисами квантової хромодинаміки є асимптотична свобода[2] і конфайнмент. Поняття асимптотичної свободи означає те, що при високих енергіях, що відповідає малим відстаням, кварки майже не взаємодіють між собою. Конфайнмент, тобто обмеження, означає зростання притягання між кварками із збільшенням віддалі між ними. Завдяки конфайнменту окремі, вільні кварки не спостерігаються. Два зв'язані кварки (кварк і антикварк) утворюють мезони, три — баріони.

Історія[ред.ред. код]

Ранній період[ред.ред. код]

У 1911 році Резерфорд відкрив, що весь позитивний заряд атому зосереджений у невеликій області в його центрі, що отримала назву атомне ядро, а електрони знаходяться на відносно великій відстані від нього. Через 6 років, у 1917, він же виявив, що альфа-частинки можуть вибивати ядра водню з ядер більш важких елементів. У 1920 році частинки, що є ядрами водню, отримали назву "протони". [3]

У 1932 році Чедвіком був відкритий нейтрон, і у тому ж році Іваненко і Гейзенберг запропонували протон-нейтронну модель будови атомного ядра. Тоді ж виникла одна з проблем цієї моделі - близько розташовані протони зазнають дії значних кулонівських сил відштовхування, а отже, має існувати невідома раніше сила, що утримує їх разом.[4]

У 1934 році Енріко Фермі розробив першу теорію слабкої взаємодії для пояснення явища бета-розпаду, і припустив, що ці ж сили відповідальні за утримання протонів і нейтронів в ядрі, проте ця гіпотеза виявилася хибною. [4]

У 1935 році, Юкава використав ідею Фермі про взаємодію через обмін масивною частинкою, і розробив теорію сильної взаємодії, що існує між нуклонами. Його теорія передбачала існування нової частинки, піона, який був відкритий у 1947 році. [4]

Кваркова теорія[ред.ред. код]

Октет баріонів

У 1950-х і 60-х роках було відкрито велике різномаїття адронів (їх число перевищило 100[5]), через що виникла потреба у їх класифікації. Така класифікація була розроблена на початку 60-х, і включала усі адрони як представленя групи SU(3)[6] — усі баріони і мезони об’єднувалися в октети, кожен з яких включав в себе вісім частинок (так званий Вісімковий шлях[en]). При цьому, частинки, що знаходяться в однакових позиціях в різних октетах, мали схожі властивості, подібно тому, як схожі властивості демонструють елементи в різних періодах періодичної таблиці.[7] Ця теорія ґрунтувалася на теорії неабелевих калібрувальних симетрій, що була розглянута Ч. Янгом і Р. Міллсом в 1954 році.[8] У 1964 році Гелл-Ман і Цвейг[en] запропонували модель кварків, частинок, що відповідали фундаментальним представленням[en] цієї групи, тобто, вільним параметрам, що були в ній присутні. Проте жодна з таких частинок не спостерігалась в експериментах, що ставило під сумнів їх гіпотезу. Крім того, кварки мали незвичні властивості, наприклад, заряд, некратний заряду електрона. Тим не менш, теорія виглядала правдоподібною, і почалися активні дослідження кваркової моделі.

Усі відомі на той час частинки можна було побудувати з кварків трьох видів, u-кварка, d-кварка і s-кварка. При дослідженні кваркової будови адронів, було виявлено ще одну проблему: резонанс Δ++ має складатись з трьох u-кварків, спіни яких напрямлені однаково. Проте, кварки є ферміонами, а отже підкоряються принципу Паулі, який забороняє двом частинкам займати один і той самий квантовий стан. Для вирішення цієї проблеми, у 1965 році, одночасно М. Боголюбовим, Б. Струмінським, А. Тавхелидзе а також М. Ханом[en], Й. Намбу було висунуто гіпотезу про існування особливого квантового числа, що властиве лише кваркам. Це число отримало назву кольоровий заряд. Воно може приймати три різні значення, що умовно називають червоним, жовтим і синім. При цьому постулювалося , що усі спостережувані частинки мають бути білими, тобто, складатися з трьох частинок різних кольорів (а точніше, з суперпозиції кваркових станів з трьома різними кольорами). Кольоровий заряд у цій теорії був причиною сильної взаємодії кварків.

У 1969 році, для пояснень особливостей глибоко непружних зіткнень протонів, Річардом Фейнманом була запропонована модель партонів, що передбачала існування в протоні точкових частинок, що взаємодіяли між собою при високоенергетичних зіткненнях, тоді як при низькоенергетичних, весь адрон взаємодіяв як одне ціле. [9] Одразу після цього було висунуто логічне припущення, що партони і кварки — це одні і ті самі частинки. При цьому, експерименти показали, що партони поводять себе так, ніби між ними немає взаємодії. Ці явища, дуже слабка взаємодія кварків всередині адрона, і неможливість відокремити кварк від інших, отримали назви, відповідно, асимптотична свобода і конфайнмент.

У 1973 році Девід Гросс, Френк Вільчек і Девід Політцер побудували теорію, що пояснювала явище асимптотичної свободи і описувала взаємодію кварків і глюонів математично. Ця теорія вважається початком власне квантової хромодинаміки. Гросс, Вільчек і Політцер отримали нобелівську премію з фізики за цю роботу у 2008 році. [10]

Відкриття важких кварків[ред.ред. код]

У 1970 році, Шелдон Глешоу, Джон Іліопулос і Лучано Майані у своїй роботі, привяченій механізму слабкої взаємодії, передбачили існування четвертого кварка (при цьому кварки об’єднувалися в пари, що отримали назви "покоління")[11], а в 1973 році, Макото Кобаясі і Тосіхіде Масукава, розробили теорію, що пояснювала порушення CP-інваріантності у слабкій взаємодії, яка передбачала існування третього покоління кварків.[12] Невдовзі передбачення почали підтверджуватися: у 1974 році було знайдено нову частинку, відому зараз під назвою J/ψ-мезон. Її час життя був несподівано великим, як для частинок такої маси. Подальші дослідження показали, що її кварковий склад не вписується у відомі моделі, а потребує введення нового кварку, що отримав назву c-кварк (від слова charmed, чарівний). Схожим чином у 1977 році був відкритий п’ятий кварк, b-кварк (від beauty, красивий), після відкриття іпсилон-мезона. Шостий, на сьогодні останній, t-кварк, був відкритий у 1995 році.[5]

Сучасні експериментальні дослідження[ред.ред. код]

У 1970-х роках було побудовано кілька великих електрон-позитронних коллайдерів, що були призначені для вивчення кваркової структури адронів. Першим з них став SPEAR у 1972 році. Пізніше були введені в експлуатацію також установки DORIS, PETRA і PEP. На колайдері SPEAR було вперше отримане безпосереднє підтвердження існування кварків як окремих частинок — адронні струмені[en].[13] У 1979 році, на установці PETRA були зафіксовані потрійні адронні струмені, що стали першим експерементальним доведенням існування глюонів, частинок, що є носіями сильної взаємодії. [14]

У 2000 році колаборацією CERN було об’явлено про відкриття нового стану матерії, кварк-глюонної плазми, що утворюється при високих температурах. Поведінка кварк-глюонної плазми є дуже некласичною, і описується лише в рамках КХД.[15]

Примітки[ред.ред. код]

Джерела[ред.ред. код]

  • Индурайн Ф. Квантовая хромодинамика. Введение в теорию кварков и глюонов. — М. : Мир, 1986. — 288 с.

Посилання[ред.ред. код]

Фізика Це незавершена стаття з фізики.
Ви можете допомогти проекту, виправивши або дописавши її.