Дао физики

Подход, характерный для гейдж-теорий, распространяется и на сильные взаимодействия благодаря возникновению теории поля под названием квантовой хромодниамики (КХД), и теперь многие физики пытаются добиться «великого объединения» квантовой хромодинамики с теорией Вайнберга-Салама. Тем не менее, использование гейдж-теорий для описания сильновзаимодействующих частиц порождает немало проблем. Взаимодействия между адронами настолько сильны, что различие между частицами и силами начинает утрачивать свою четкость. Поэтому КХД плохо подходит для описания процессов с участием сильновзаимодействующих частиц, за исключением некоторого количества совершенно специфических «явлений» — так называемых «глубоких неэластичных» процессов рассеивания, — в ходе которых частицы, по каким-то неизвестным причинам, ведут себя почти так же, как и самостоятельяне объекты классической физики. Несмотря на самые напряженные усилия, физики не смогли распространить сферу применения КХД на явления вне этого узкого круга, и первоначальные надежды на то, что КХД выполнит роль теоретической основы для объяснения свойств сильновзаимодействующих частиц, до сих пор не оправдались.

КХД представляет собой современную математическую формулировку кварковой модели (см. главу 16): поля ассоциируются в ней с кварками, а слово «хромо» относится к цветам, присущим этим кварковым полям. Как и все гейдж-теории, КХД возникла позже квантовой электродинамики (КЭД). В то же время, как в КЭД электромагнитные взаимодействия рассматриваются в качестве процессов, опосредованных фотонными обменами между заряженными частицами, в КХД сильные взаимодействия опосредованы «глюонами», принимающими участие в аналогичных обменах между разноцветными кварками. Глюоны являются не собственно частицами, а одной из разновидностей квантов, которые «приклеивают» кварки друг к другу (английское слово «glue», от которого образовано название глюонов, имеет значение «клей», «приклеивать»), что ведет к возникновению мезонов и барионов.

На протяжении последнего десятилетия в результате открытия большого количества новых частиц в ходе экспериментов по рассеиванию с применением все более высоких энергии кварковая модель, как уже говорилось в главе 16, была существенным образом расширена и уточнена. Каждый из первоначально постулированных кварков, получивших обозначения соответственно u, d и s, должен был существовать в трех различных ароматах, а затем ученые постулировали существование и четвертого кварка, получившего аромат «charm». Впоследствии к модели добавилось еще два аромата (t и b, что обозначает «top» и «bottom», то есть соответственно, «вершина» и «дно», а более романтическое толкование дают варианты "trueit и «beautiful», то есть "подлинный и «красивый»), вследствие чего общее количество кварков стало равным восемнадцати — шести ароматам, помноженным на три цвета. Неудивительно, что многим физикам такое многообразие фундаментальных «кирпичиков» мироздания пришлось не по душе, и они начали поговаривать о необходимости введения «более элементарных» частиц, из которых и должны состоять кварки...

Одновременно с построением моделей экспериментаторы продолжали заниматься поисками свободных кварков, но безуспешно, что и составляет основную проблему, стоящую перед кварковой моделью. В рамках теории КХД это получило название «кваркового сжатия». Ученые выдвинули предположение о том, что по каким-то неизвестным причинам кварки постоянно пребывают в «сжатом» состоянии внутри адронов и не могут поэтому предстать перед нашим взглядом. Было разработано несколько моделей кваркового сжатия, однако все эти попытки характеризовались крайней степенью разобщенности, и до сих пор не привели к появлению более или менее последовательной теории.

Подведем итоги нашего рассмотрения кварковой модели. Для объяснения всех наблюдаемых в адронном аспекте структур необходимо, по крайней мере, восемнадцать кварков и восемь глюонов, ни один из которых не был обнаружен в свободном, несвязанном состоянии, а их существование в качестве физических составляющих адронов привело бы к появлению серьезных теоретических сложностей; для описания постоянного сжатия кварков выдвигалось несколько моделей, но ни одна из них не является подходящей динамической теорией, в то время как КХД, представляющая собой теоретический каркас кварковой модели, может использоваться только по отношению к очень узкому кругу явлений. Тем не менее, невзирая на все эти сложности, большинство физиков до сих пор сохраняет приверженность идее «строительных кирпичиков» материи, которая так глубоко укоренилась в западном научном сознании.