Кварки: почему они не вылетают?

Статья написана Павлом Чайкой, главным редактором журнала «Познавайка». С 2013 года, с момента основания журнала Павел Чайка посвятил себя популяризации науки в Украине и мире. Основная цель, как журнала, так и этой статьи – объяснить сложные научные темы простым и доступным языком

Это только один из множества вопросов, на которые пытаются ответить ученые, занимаясь теоретическими исследованиями в физике элементарных частиц. Что же касается вопроса о кварках, то он — своего рода «пробный камень» для любой теории, претендующей на роль всеобъемлющей теории микромира. Это именно так, поскольку речь идет о структуре адронов — самого обширного семейства частиц, до последнего времени считавшихся элементарными. Как они устроены и почему их так много? Ответить на эти, в самом общем виде поставленные вопросы, значило бы понять цели Природы, так отменно потрудившейся на этом уровне организации материи.

Так вот, кварки. О них говорилось уже очень много, но, на мой взгляд, они того заслуживают. Заслуживают потому, что все более вескими становятся их «притязания» на роль самого элементарного «кирпичика» материи, из которого составлены почти все известные сейчас частицы. Довольно любопытна и показательна история, которая произошла с кварками. Сначала все относились к ним как к неким метафизическим сущностям. Говорили, что в некоторых случаях барионы и мезоны ведут себя так, как если бы они были составлены из кварков. А что это в действительности так, никто и не думал. Но за 10—12 лет отношение к ним в корне изменилось. Чем ближе человек к физике элементарных частиц, тем больше у него вера в то, что кварки реально существуют внутри адронов.

Причем похоже, что на малых расстояниях, то есть глубоко внутри адронов, кварки ведут себя так, как будто они ничем не связаны друг с другом. И что еще удивительнее: коль скоро это такие свободные частицы, почему их нельзя выбить из адрона? Почему мы их не видим и, как мне кажется, никогда не увидим?

Некоторые экспериментаторы считают, что все это выдумки теоретиков, просто нужен ускоритель с еще большей энергией. И тогда стоит лишь посильнее ударить по адрону, как кварки оттуда посыплются сами.

Но в действительности такой ускоритель уже существовал — это молодая, горячая Вселенная. Расчеты показывают, что в те времена были очень высокие температуры. А значит, должны были существовать не только электрон-позитронные пары, но и частицы с более тяжелыми массами и энергиями, достаточными для того, чтобы родить кварки. В свое время кварки очень настойчиво искали: и в космосе, и в океанской воде и в горных породах. По оценкам, их должно быть примерно один кварк на миллиард нуклонов.

Поэтому надежда обнаружить дробно заряженные кварки в природе очень мала. То же самое относится и к ускорителям со все большей энергией. Естественно предположить, что когда мы ударяем сильно по адрону и передаем кваркам большой импульс, они могут разойтись на большие расстояния, однако вылететь не могут. Создается впечатление, что между ними возникают силы типа струн.

Как можно было бы представить себе «струну», связывающую кварки в адронах? Обычно силовые линии электрического поля, созданного зарядом, расходятся равномерно во все стороны. Чем дальше от него находится другой заряд, тем меньше силовых линий будет их связывать. Сила взаимодействия падает с расстоянием.

В кварках же, как показывают проведенные расчеты, все не так. Силовому полю, которое они возбуждают в пространстве, энергетически выгоднее не расходиться по всем направлениям, а идти по кратчайшему расстоянию между кварками. Вокруг пучка силовых линий этого поля возбуждаются кольцевые токи магнитных монополей, которые виртуально возникают в вакууме. Вот эти самые кольцевые токи, циркулируя вокруг силовых линий, сжимают их в пресловутую «струну». Энергия такой струны тем больше, чем больше ее длина.

Вот и получается, что чем сильнее мы ударяем по системе кварков и чем дальше они разлетаются друг от друга, тем больше сила, которая возвращает их назад.

Разумеется, это очень упрощенный вариант представлений о микромире, вытекающих из выводов так называемых калибровочных теорий — большого класса моделей, призванных объединять все виды взаимодействий между частицами. Сейчас все больше теоретиков обращается в их веру, развивая формальный аппарат калибровочных теорий и пытаясь уложить в их схему многообразие экспериментальных фактов. И все больше сложных, казалось бы, неразрешимых противоречий, типа парадокса кварков, начинает находить логичное объяснение в свете калибровочных теорий.

Автор: А. Белавин, кандидат физико-математических наук.