Конфайнмент

Драма идей в познании природы

Согласно квантовой хромодинамике на больших расстояниях между цветовыми зарядами величина a_c становится совсем большой. Как оборотная сторона асимптотической свободы цветовых зарядов, удаленных друг от друга на малое расстояние, возникла идея об абсолютном связывании - конфайнменте (английское confinement - тюремное заключение, ограничение свободы передвижения) цветовых зарядов на расстояниях порядка размеров ядра. На большие расстояния цветовые заряды друг от друга удаляться не могут. Из-за саморазмножения глюонов, из-за самодействия глюонных полей цветовое взаимодействие "самозамыкается" в размерах порядка ядерных. Кварки - объекты цветные. Конфайнмент цветовых зарядов объясняет, почему кварки или цветные частицы не наблюдаются в свободном состоянии.

Иногда связывание цветовых зарядов представляют себе как стягивание глюонного поля (поля цветового заряда) в трубку с постоянной плотностью энергии. Эта трубка стягивает цветовые заряды, так что потенциальная энергия их взаимодействия растет пропорционально расстоянию между зарядами.

На малых расстояниях система чармония сходна с атомом водорода или с позитронием. Масса глюонов предсказывается равной нулю, поэтому на малых расстояниях цветовое взаимодействие кварков подобно электромагнитному - потенциал их взаимодействия подобен кулоновскому потенциалу. На больших расстояниях глюонное поле стягивается в трубку и отвечает потенциалу, линейно растущему с расстоянием между кварками.

Количественный анализ системы чармония для потенциала, выбираемого в виде суммы "цветового кулоновского" потенциала и линейно растущего с расстоянием между c-кварками, позволяет хорошо описать свойства частиц семейства J/y. Представление о трубке глюонного поля позволяет также понять, почему во всех случаях электрон-позитронной аннигиляции независимо от цвета рождающихся кварков адроны получаются одинаково бесцветными.

Если, например, цветовые заряды разлетаются, как разлетаются два кварка, рожденные в электрон-позитронной аннигиляции, то по мере разлета потенциальная энергия взаимодействия цветовых зарядов растет и в некоторый момент начинает превышать энергетический порог рождения новой пары кварк-антикварк. Трубка разрывается. На месте разрыва появляются новые кварк и антикварк. Возникают уже две трубки, которые в свою очередь растягиваются, разрываются и образуют новые пары кварк-антикварк. Так можно качественно понять, почему образующиеся в электрон-позитронной аннигиляции адроны не несут цвета рождающихся кварков. Конфайнмент цветовых зарядов приводит к полному экранированию цвета.

Представление о разрывах трубок глюонного поля позволяет наглядно представить, как образуются в электрон-позитронной аннигиляции мезоны - связанные состояния кварка и антикварков. Но среди продуктов электрон-позитронной аннигиляции наблюдают и пары барион-антибарион. В рамках представлений о трубках глюонного поля описать рождение этих пар не так-то просто.

Когда речь идет о малых энергиях и, в частности, о нижнем энергетическом состоянии, кварки далеко не удаляются друг от друга, длинные трубки не образуются. Тогда возможно другое описание конфайнмента. Адрон представляют как мешок, в котором движутся почти свободные кварки (или в мезонах и антибарионах - антикварки), составляющие адрон. В этой модели есть свои проблемы. Например, что такое "мешковина".

Количественная теория конфайнмента пока не разработана. Да и качественные представления о его механизмах нужно еще уточнять. Продолжается поиск специфических для квантовой хромодинамики новых частиц - связанных состояний глюонов - глюболлов. Обсуждается возможность существования новых экзотических частиц (например, связанных шестикварковых систем - дибарионов). Физики надеются, что развитие квантовой хромодинамики позволит построить на ее основе и количественную теорию конфайнмента цветового заряда. Дело это не простое. Квантовая хромодинамика пока еще - количественная теория сильного взаимодействия в условиях, когда это взаимодействие оказывается совсем не сильным. Нет сомнения, что картина, основанная на кварках и глюонах, качественно верна и в тех областях, где их взаимодействие действительно сильное. Уже появляются работы, в которых специфика ядерных сил анализируется с учетом кварковой структуры. Но количественные проблемы здесь пока не решены.

В квантовой хромодинамике ядерные силы оказываются аналогичными силам Ван-дер-Ваальса, действующим между нейтральными атомами. Кулоновское взаимодействие между атомами отсутствует, но имеются существенно более слабые, чем кулоновские, силы Ван-дер-Ваальса между атомами, имеющие квантовую природу и отражающие наличие электрических сил между электронами и ядрами. Нечто подобное должно возникать и между нуклонами в ядре - межнуклонные силы должны появляться как остаточный эффект цветового взаимодействия кварков и глюонов. Однако в отличие от случая ван-дер-ваальсовых сил, явная связь межнуклонного и цветового взаимодействия не так проста. Поэтому в ядерной физике до сих пор широко применяют представления теории Юкавы о межнуклонном взаимодействии как обмене пионами и другими мезонами, рассматривая эти представления как способ описания эффектов цветового взаимодействия в области конфайнмента.

Замечательным свойством цветового взаимодействия оказалась его слабость на малых расстояниях. Вместе с тем конфайнмент принципиально более важен по сравнению с асимптотической свободой. Конфайнмент дает новое качество. Оказывается, что могут быть элементарные частицы - кварки и глюоны, - принципиально не наблюдаемые в свободном состоянии по отдельности. Понятие составной частицы не обязательно означает возможность разделить ее на составляющие. Такого не было ни у атома, ни у ядра.

Я.Б.Зельдович, М.Ю.Хлопов, 1988 год