Конфайнмент

Конфа́йнмент (от  — удержание цвета) — явление в физике элементарных частиц, состоящее в невозможности получения кварков в свободном состоянии, поскольку в экспериментах наблюдаются только агрегаты кварков, состоящие из двух (мезоны), трёх (барионы), четырёх (тетракварки) и пяти (пентакварки) кварков. Тем не менее имеются веские указания в пользу того, что сами кварки существуют: кварки хорошо описывают систематику элементарных частиц (Стандартная модель) и наблюдаются внутри них в качестве партонов при глубоко неупругих столкновениях.

Для объяснения удержания предполагалось, что цветовой заряд, которым обладают кварки, имеет свойство так называемого антиэкранирования. Антиэкранирование происходит из-за того, что переносчики сильного взаимодействия, которому подвержены кварки — глюоны — сами обладают цветовым зарядом и в процессе движения как бы «порождают новые глюоны из вакуума» и тем усиливают взаимодействие. В результате кварки притягиваются тем сильнее, чем дальше они друг от другаКонфайнмент и адронизация на сайте elementy.ru . Гипотеза кварков помогла классифицировать многочисленные экзотические адроны и их резонансы, а также хорошо объяснила многие физические эффекты: сечение столкновения адронов, формирования «струй адронов» («hadron jets») при глубоко неупругих столкновениях двух адронов.

На гипотезе наличия кварков строится квантовая теория поля сильного взаимодействия — квантовая хромодинамика (КХД), которая и пытается описать свойство конфайнмента математически точным языком.

Конфайнмент подтверждён расчётами решёточной КХД, но математически не доказан. Поиск этого доказательства — одна из семи «задач тысячелетия», объявленных Математическим институтом Клэя. Другие перспективы непертурбативной КХД — исследование фаз кварковой материи, включая кварк-глюонную плазму — состояние вещества, в котором конфайнмент отсутствует, а кварки и глюоны являются свободнымиЭксперимент ALICE История Кварк-Глюонной Плазмы .

История В 1930-е годы физикам были известны такие частицы, как протон, нейтрон, электрон и позитрон. Главной загадкой оставалось то, что положительно заряженные протоны не отталкиваются в атомном ядре вопреки кулоновскому отталкиванию. Для объяснения этого требовалась гипотетическая сила, которую в будущем назвали сильное взаимодействие.

В 1935 году японский физик Хидеки Юкава предсказал существование частицы пиона (или пи-мезона), которая переносила бы сильное взаимодействие. частица была экспериментально открыта в 1947 году. За теории мезонов Юкава был удостоен в 1949 году Нобелевской премии по физике, став первым японским нобелевским физиком-теоретиком.

Открытие пиона и других частиц, строительства синхротронов вызвало большой энтузиазм в научном сообществе. Нобелевский лауреат Джером Айзек Фридман говорил "...новаторские исследования рассеяния пионов на протонах на недавно построенном циклотроне - все это создавало особенно живую атмосферу" Однако вскоре последовало открытие десятков новых частиц (адронов), их сразу назвали фундаментальными. Физика столкнулась с усложнением картины и отсутствием одной удобной описательной теории.

В начале 1960-х годов появилась классификационная схема, упорядочивающая этот зоопарк частиц. Независимо друг от друга Мюррей Гелл-Манн и Юваль Нееман предложили группировать частицы с одинаковым спином. Частицы со спином 0 (пионы, каоны) образовывали октет мезонов, частицы со спином ½ — октет барионов. Это деление на группы по восемь назвали «восьмеричным путём». Группа со спином ³⁄₂ формировала декуплет из десяти частиц.

Ключевой идеей, лежащей в основе этой системы, стало предположение, что адроны не являются фундаментальными, а состоят из более мелких частиц. В 1964 году почти одновременно Мюррей Гелл-Манн (предложивший термин "кварк" из романа Джеймса Джойса "Поминки по Финнегану") и Джордж Цвейг (назвал их тузами) независимо выдвинули гипотезу о существовании трёх типов таких субчастиц и их античастиц. Гипотеза встретила сопротивление из-за противоречия дробного заряда. Дело в том, что для получения заряда протона (+1) или нейтрона (0) кварки должны были обладать нецелым электрическим зарядом (например, +²⁄₃ и –¹⁄₃). Ни одной частицы с дробным зарядом на тот момент обнаружено не было. Кроме того, кварковая теория нарушала принцип Паули, о том, что два одинаковых фермиона не могут иметь одинаковые квантовые числа. В 1965 году эту проблему решила группа советских физиков Н.Н. Боголюбов, Б.В. Струминский и А.Н. Тавхелидзе, и независимо от них Намбу и Хана, Фройнд и Миямото, введя новое квантовое число, названное цветом.

К началу 1960-х эксперименты показали, что нуклоны имеют конечный и "диффузный" размер (заряд рассеян). В 1966 году вступил в строй мощный линейный ускоритель в Стэнфордском центре линейных ускорителей (SLAC). Конкурировали две гипотезы:

1. Нуклоны точечные фундаментальные частицы - тогда электрон должен пролетать сквозь них без значительного отклонения.

2. Нуклоны состоят из кварков — тогда электроны должны неупруго рассеиваться на точечных составляющих под большими углами.

Результаты экспериментов по глубоко неупругому рассеянию, проведенных в 1968-1969 годах, подтвердили наличие внутри протона и нейтрона точечных объектов. Это стало решающим аргументом в пользу кварковой модели. Для определения зарядов этих составляющих использовали рассеяние электронов и нейтрино, и потом сравнили результаты. Эксперименты подтвердили предсказанные дробные заряды кварков.

В 1969 году Советский физик И.Б.Хриплов первым правильно вычислил бета-функцию в теории Янга–Миллса и указал на явление антиэкранирования заряда. Это означало, что цветовой заряд на малых расстояниях должен ослабевать. Фактически Хриплов открыл асимптотическую свободу, однако этот результат он не связал с сильными взаимодействиями, и открытие явления не было признано за ним.

В 1973 году американские физики Дэвид Гросс, Фрэнк Вильчек и независимо Дэвид Политцер, используя метод ренормализационной группы (созданный тем же Боголюбовым), переоткрыли асимптотическую свободу – это свойство сильного взаимодействия ослабевать на малых расстояниях. Это объяснило данные SLAC. Их работа стала фундаментом Квантовой хромодинамики (КХД), в которой глюоны выступают переносчиками цветового взаимодействия. В 2004 году ученые получили Нобелевскую премию.

Для расчётов сильных взаимодействий на больших расстояниях американский физик Кеннет Вильсон предложил в 1974 году КХД на решетке. Он дискретизировал пространство-время и применил численное моделирование методом Монте-Карло, что позволило вычислять массы адронов и подтвердило правильность КХД.

Однако даже после этого кварки так и не были обнаружены в свободном виде, они всегда были вкупе с другими кварками. Это явление было названо конфайнментом. Кварки обладают цветовым зарядом и удерживаются вместе сильным взаимодействием, переносчиками которого являются глюоны. В отличие от электромагнетизма, сильное взаимодействие не ослабевает с расстоянием, а усиливается. При попытке растащить кварки энергия поля возрастает настолько, что порождает новые кварк-антикварк пары, которые тут же связываются, образуя адроны. Поэтому в обычных условиях отдельные кварки существовать не могут (кроме экстремальных состояний кварк-глюонной плазмы и потенциальных кварковых звезд).

Первоначально постулировалось три кварка (и три антикварка), но сегодня известно шесть их типов ароматов: верхний (u), нижний (d), странный (s), очарованный (c), прелестный (b) и истинный (t).

Очарованный кварк был открыт в ноябре 1974 года двумя независимыми группами — под руководством Бёртона Рихтера в SLAC и Сэмюэла Тинга в Брукхейвенской национальной лаборатории. Прелестный кварк обнаружен в 1977 году в Фермилабе коллаборацией под руководством Леона Ледермана.

Самым массивным кварком является истинный кварк, открытый в 1995 году на коллайдере Теватрон в Фермилабе, более чем в 61 000 раз тяжелее верхнего и нестабилен, распадаясь на другие кварки. Все эти открытия легли в основу Стандартной модели физики элементарных частиц.

Вопрос об огромной дисперсии масс легчайшего и тяжелейшего кварка в 61 000 раз довольно важен. Отсутствие естественного объяснения иерархии масс в физике называется Проблемой иерархии. Для объяснения явления постулируются теории суперсимметрии, теории о составной природе кварка (состоящий из преонов). Физик Йоитиро Намбу в начале 1970-х предположил, что кварки внутри адронов связаны струнами - линейными объектами с постоянной плотностью энергии ~1 ГэВ/фм. Энергия такой струны растёт с расстоянием, что и обеспечивает конфайнмент. Однако в отличие от кварков, у всех данных теорий ни прямых, ни косвенных экспериментальных подтверждений. На текущем уровне знаний кварки (наряду с остальными точечными частицами) считаются предельными компонентами наблюдаемой материи.

См. также

Глюоны Кварки Сильное взаимодействие Стандартная модель Квантовая хромодинамика Квантовая хромодинамика на решетке Боголюбов, Николай Николаевич

Примечания

Литература

Ссылки Кварки

Категория:Физика элементарных частиц Категория:Нерешённые проблемы современной физики Категория:Глюоны