Введение в квантовую хромодинамику

Эксперименты по глубоко неупругому ер-рассеянию показали, что нуклоны не являются точечными объектами. Согласно гипотезе, выдвинутой Р.Фейнманом в 60-х годах, адрон можно рассматривать как систему, состоящую из точечных объектов, называемых партонами (от английского слова part − часть). В модели иартонов считается, что адрон участвует во взаимодействиях лишь некоторой своей частью (партоном), несущей определенную долю 4-импульса адрона. В первом приближении партоны рассматриваются как точечные частицы, испытывающие только упругие соударения. Партоны должны обладать специфическими свойствами. Так, партоны должны существовать в квазисвободном состоянии достаточно долгое время, т.е. энергия, передаваемая партону при взаимодействии, должна быть настолько велика, чтобы можно было пренебречь взаимодействием партонов внутри адрона за время лептон-адронного взаимодействия.
В процессах с небольшой передачей энергии и импульса, например при упругом ер-рассеянии, партоны себя не проявляют. Это означает, что в этих случаях происходит когерентное взаимодействие между электроном и протоном.
В 1964 году М.Гелл-Маном и Г.Цвейгом (США) была высказана гипотеза о кварках. В настоящее время принято, что партоны и кварки тождественны друг другу. В кварк-партонной модели полагается, что кварки и глюоны и есть партоны.
Сейчас установлено существование шести разновидностей (ароматов) кварков: u, d, s, с, b, t. Названия кварков происходят от английских слов up, down, strange, charm, beauty, truth. Различают токовые и составляющие кварки. Массы токовых кварков таковы: m_u ~ 5 МэВ, m_d ~ 7 МэВ, m_s ~ 150 МэВ, m_с ~ 1.3 ГэВ, m_b ~ 4.5 ГэВ, m_t > 174 ГэВ.
Свойства кварков представлены в табл. 24. Все кварки имеют спин 1/2.

Таблица 24: Свойства кварков

Тип кварка	Масса состав- ляющего кварка, МэВ	Электри- ческий заряд, q/e	Изотопи- ческий спин, I	Бари- онное число, В	Стран- ность, s	Очаро- вание, с	Красота, b	Истина, t
u	~ 300	+2/3	1/2	+ 1/3
d	~ 350	-1/3	-1/2	+ 1/3
s	~ 450	-1/3		+ 1/3	-1
с	~ 1500	+2/3		+ 1/3
b	~4500	-1/3		+ 1/3			-1
t	~ 174000	+2/3		+ 1/3

Согласно кварковой гипотезе барионы состоят из трех кварков, мезоны − из кварка и антикварка. Например, протон состоит из двух u-кварков и одного d-кварка (р = uud), нейтрон − из двух d-кварков и одного u-кварка (n = ddu), π⁺-мезон − из u-кварка и -кварка (π⁺ = u ). Странные частицы содержат странный s-кварк (К⁺ = u , К0 = d ). Частицы состоят из конституентных кварков, окруженных глюонами и имеющих море q -пар. Глюоны (от английского слова glue - клей) - гипотетические электрически нейтральные частицы со спином 1 и нулевой массой покоя, являющиеся переносчиками сильного взаимодействия между кварками и антикварками. Глюоны - это кванты глюонного поля, создаваемого кварками и антикварками. Глюоны находятся в таком же соответствии с глюонным полем, как фотон с электромагнитным полем. Глюон так же, как и фотон, относится к классу векторных бозонов (частиц со спином, равным 1, и отрицательной четностью). Но в отличие от фотона, создающего одно фотонное поле, глюон существует в восьми разновидностях, которым соответствуют восемь глюонных полей. Дело в том, что каждый глюон несет два заряда - цветовой (желтый ж} или синий с, или красный к) и антицветовой (, или , или ). Эти названия чисто условны и никакого отношения к обычным оптическим цветам не имеют. Из трех цветов и трех антицветов можно построить 9 парных комбинаций, одна из которых полностью симметрична относительно цветов и поэтому бесцветна. Остальные 8 комбинаций и составляют 8 глюонных полей. Испуская и поглощая глюоны, кварки участвуют в сильном взаимодействии. Считается, что каждый кварк существует в виде трех разновидностей, отличающихся цветом (желтый, красный, синий). При взаимодействии кварков их цвет изменяется. Например, если красный кварк испускает глюон типа кж (что соответствует поглощению антицвета ), то он переходит в желтый кварк. Условное обозначение цветами разных состояний кварков и глюонов дало название и теории взаимодействия кварков и глюонов − квантовой хромо динамике (КХД), построенной по аналогии с квантовой электродинамикой (КЭД).

Рис. 92: Образование кварковых и глюонных струй в процессе е⁺е^--аннигиляции.

Экспериментальным подтверждением КХД стало обнаружение кварковых и глюонных струй в е⁺е^--аннигиляции (процесс, представленный на рис. 92).
Существенной в КХД является гипотеза невылетания конфайнмента, возникшая в результате того, что кварки в свободном состоянии не обнаружены.
Множественное рождение частиц в кварк-партонных моделях может происходить как в результате мягких, так и в результате жестких соударений. В результате мягких соударений − соударений с небольшими передачами 4-импульса − рождается основная масса частиц, имеющих < 1 ГэВ/с. Мягкие соударения - это когерентные процессы, протекающие на нуклонах и не затрагивающие внутреннюю структуру нуклона. Жесткие процессы есть результат взаимодействия (см. рис. 77) кварков, составляющих нуклон. Вследствие жестких соударений кварков образуются струи адронов. КХД теория описывает только жесткие соударения кварков и не претендует на описание мягких процессов.
При существующих энергиях ускоренных частиц хорошо выполняются все положения КХД и тем более КЭД. В планирующихся экспериментах с более высокими энергиями частиц одной из главных задач считают поиск отклонений от Стандартной Модели.

Список литературы

1. Окунь Л.В. Введение в физику элементарных частиц. -М.: Наука, 1988.
2. Мурзин B.C., Сарычева Л.И. Множественные процессы при высоких энергиях. -М.: Атомиздат, 1974.
3. Мурзин B.C., Сарычева Л.И. Взаимодействия адронов высоких энергий. -М.: Наука, 1983.
4. Мурзин B.C., Сарычева Л.И. Физика адронных процессов. -М.: Энергоатомиздат, 1986.
5. Аминева Т.П., Сарычева Л.И. Фундаментальные взаимодействия и космические лучи. -М.: Эдиториал УРСС, 1999.
6. Сарычева Л.И. Физика высоких энергий и элементарные частицы. -М.: КДУ, 2007.
7. Фрауэнфельдер Г., Хенли Э. Субатомная физика. -М.: Наука, 1979.
8. Хуанг К. Кварки, лептоны и калибровочные поля. -М.: Мир, 1985.
9. Волженская В.А., Сарычева Л.И. - Изв. АН СССР. Сер. физ., 1966, 33, №10, с.1594.
10. Лохтин И.П., Сарычева Л.И., Снигирев A.M. Сб. ЭЧАЯ, т. 30, вып. 3, с. 660-719, 1999. - Диагностика сверхплотной материи в ультрарелятивистских столкновениях ядер.
11. Ракобольская И.В., Копенкин В.В., Манагадзе А.К. Особенности взаимодействий адронов космических лучей сверхвысоких энергий. -М.: Изд-во Моск. ун-та, 2000.
12. Journal of Physics G: Nuclear and Particle Physics, v.33, July 2006. Review of Particle Physics, Particle data group. Institute of Physics publishing.

Дата добавления: 2015-07-12