Квантовая хромодинамика

Драма идей в познании природы

Анализ цветового зрения говорит, что все богатство окружающих нас красок - различные сочетания трех основных цветов. Таково свойство человеческого восприятия. Многообразие адронных превращений - результат взаимодействий трех цветов кварков, проявление фундаментального цветового взаимодействия. Оказалось, что такое взаимодействие можно описать по аналогии с квантовой теорией электромагнитного взаимодействия - квантовой электродинамикой. Для квантовой теории цветового взаимодействия даже используют созвучное название квантовая хромодинамика. Ограничимся лишь некоторыми аспектами представлений квантовой хромодинамики, развивая их аналогию с представлениями квантовой электродинамики.

В квантовой электродинамике важнейшую роль играет безразмерная величина, называемая постоянной тонкой структуры a=е²/hc=1/137, где e - электрический заряд электрона. Величина a характеризует вероятность испускания или поглощения электромагнитного кванта, вероятность превращения этого кванта в пару электрон-позитрон или аннигиляции такой пары в электромагнитный квант. Все эти процессы сводятся к одному и тому же элементарному акту взаимодействия. Любой электромагнитный процесс оказывается при этом комбинацией элементарных актов взаимодействия.

Для расчета вероятности того или иного квантового процесса теоретики используют диаграммы Фейнмана - графические картинки, позволяющие выделить структуру такого процесса, складывающуюся из элементарных актов взаимодействия, связанных виртуальными частицами. Элементарному акту электромагнитного взаимодействия отвечает простейшая диаграмма Фейнмана. Рассматривая ее с разных сторон, мы получаем либо квантовый переход, в котором начальный электрон e₁ (или позитрон) уничтожается и рождается конечный электрон e₂ (позитрон) и при этом рождается или уничтожается электромагнитный квант g₁, либо процесс уничтожения электромагнитного кванта и рождения пары электрон-позитрон, либо процесс уничтожения пары электрон-позитрон и рождения электромагнитного кванта. Все эти процессы отвечают одному и тому же элементарному акту взаимодействия с электромагнитным квантом тока и заряда электромагнитного перехода, то есть превращения электрон-электрон (позитрон-позитрон), рождения или аннигиляции пары электрон-позитрон.

На основе элементарного акта квантовой электродинамики, вероятность которого пропорциональна a=1/137, можно описать любой квантовый процесс электромагнитного взаимодействия.

Например, для того чтобы произошел квантовый процесс рассеяния электрона на электроне, требуется одно рождение и одно уничтожение электромагнитного кванта. В одном квантовом переходе квант должен родиться, во втором уничтожиться. В процессе электронного рассеяния могут происходить и другие процессы: может родиться и уничтожиться еще один квант, квант может превратиться в пару электрон-позитрон и снова родиться при их аннигиляции. Все эти процессы с дополнительным рождением и уничтожением электромагнитных квантов можно рассматривать как поправки к основному процессу, потому что они характеризуются величиной, пропорциональной дополнительной степени a²=(1/137)².

Учет всех процессов дополнительных рождений и уничтожений электромагнитных квантов приводит к некоторой (хотя и слабой) зависимости "постоянной" a от расстояния. На малых расстояниях a возрастает.

В квантовой хромодинамике гипотеза о цвете кварков позволяет определить заряды (и токи) сильного взаимодействия и ввести поле цветового взаимодействия, связанное с этими зарядами. Такое поле, "склеивающее" кварки в адронах, называют глюонным, от английского glue - клей. Частица - квант глюонного поля называется глюоном и обозначается g. Токи (и заряды) цветовых переходов являются источниками глюонов аналогично тому, как ток (и заряд) электромагнитного перехода является источником электромагнитного кванта. Элементарный акт сильного взаимодействия описывается диаграммой Фейнмана, отвечающей взаимодействию глюона g с током (и зарядом) цветового перехода между кварками q.

В квантовой хромодинамике вводится константа a_c, которая характеризует вероятность испускания или поглощения глюона цветовыми зарядами, вероятность рождения глюоном пары кварк-антикварк или аннигиляции такой пары в глюон. Эти процессы - разные проявления одного и того же элементарного акта сильного взаимодействия. Рассматривая переходы кварков из любых 3-х начальных цветовых состояний в любые 3 конечные цветовые состояния, легко убедиться, что полное число таких переходов равно 3·3=9. Однако только 8 таких переходов связаны с цветовыми превращениями. Девятый переход - это переход между кварками одного и того же цвета, переход, в котором цвет кварков не меняется и не различается. Девятый глюон был бы "дальтоником" и непосредственно связывался бы с числом кварков в адроне (минус число антикварков), то есть с барионным зарядом. Такое бесцветное поле отвечало бы взаимодействию между барионными зарядами. Экспериментальная проверка принципа эквивалентности инертной и гравитационной массы, проведенная в опытах типа опыта Этвеша с высокой точностью, исключает возможность существования дальнодействующего поля, связанного с барионным зарядом.

Таким образом, все 8 глюонов оказываются "окрашенными". Между ними также возможны квантовые переходы - источники новых глюонов. Поэтому структура квантовой хромодинамики оказывается сложнее, чем структура квантовой электродинамики. Помимо элементарного акта в квантовой хромодинамике имеются элементарные процессы "самодействия глюонов". В этих процессах источниками новых глюонов являются квантовые переходы между глюонами.

То обстоятельство, что глюоны сами несут цветовой заряд, существенно меняет закон их взаимодействия на больших расстояниях. Возникает так называемый конфайнмент - невылетание цветового заряда. Вследствие невылетания цветовой заряд экранируется, поэтому свободные цветные частицы - глюоны и кварки - не существуют.

Различие в электромагнитных и цветовых взаимодействиях проявляется и в том, что квантовая хромодинамика обладает асимптотической свободой - чем меньше расстояние между цветовыми зарядами, тем слабее их взаимодействие. Из принципа неопределенности следует, что процессы на малых расстояниях происходят при большой передаче импульсов. Это позволило объяснить наблюдавшиеся в экспериментах закономерности взаимодействия кварков на малых расстояниях. Асимптотическая свобода на малых расстояниях между цветовыми зарядами является оборотной стороной конфайнмента на больших расстояниях.

Я.Б.Зельдович, М.Ю.Хлопов, 1988 год