2. Классификация и основные свойства частиц и взаимодействий

 

Окружающее нас вещество, а также вещество, из которого состоим и мы сами, построено из частиц всего 4-х типов. Это протоны и нейтроны, входящие в состав атомных ядер (протоны и нейтроны имеют общее название – нуклоны), электроны, составляющие оболочки атомов и молекул, и нейтрино, возникающие при распаде бета-активных ядер. В свободном состоянии протоны, электроны и нейтрино абсолютно стабильны, а нейтрон распадается: .

Классификация взаимодействий тесно связана с классификацией частиц. Электроны с атомными ядрами связаны электромагнитным взаимодействием, протоны и нейтроны внутри ядра связываются сильными взаимодействиями, а распад нейтрона или аналогичный распад внутриядерного протона: , обусловлены слабыми взаимодействиями. Вышеописанная картина, однако, оказалась лишь грубо приближенной. Главное достижение фундаментальной физики последней трети XX века состоит в доказательстве неэлементарности внутриядерных частиц, наличия у них внутренней кварковой структуры. По современным представлениям нуклоны состоят из кварков двух типов, которые принято обозначать символами u и d. Кварки являются «кирпичиками», из которых строятся сильновзаимодействующие частицы – адроны. Среди характерных особенностей кварков необходимо, прежде всего, отметить, что они имеют дробный электрический заряд в единицах заряда электрона: и . В таблицах элементарных частиц кварк u обычно занимает верхнюю строчку, поэтому называется «верхним» (от английского «up»), а кварк d – нижнюю строчку и называется «нижним» («down»). Структурные формулы протона и нейтрона имеют вид: p = uud и n = udd. Сильными взаимодействиями сегодня мы называем взаимодействия, связывающие кварки внутри нуклонов. Взаимодействия же нуклонов друг с другом на расстояниях, превышающих их размеры, представляют собой лишь относительно слабый след очень сильных первичных внутринуклонных взаимодействий кварков.

Имеется аналогия между взаимодействиями удаленных нуклонов и взаимодействиями удаленных нейтральных атомов. Полный электрический заряд каждого из нейтральных атомов (сумма электрических зарядов составляющих его частиц) равен нулю, и, казалось бы, они не могут взаимодействовать электромагнитно. Но даже из школьной физики известно, что взаимодействие между ними все же имеется, поскольку взаимная деформация электронных оболочек атомов приводит к возникновению у каждого из них индуцированного дипольного момента. Так, в частности, происходит и с молекулами вещества, растворенного в жидкости – молекулы теряют свою исходно симметричную форму, деформируясь под действием электромагнитного поля среды, в результате чего приобретают дипольный момент и создают собственное ненулевое электромагнитное поле. Похожая ситуация имеет место и в физике сильных взаимодействий – внутри нуклона действуют мощные силовые поля, обусловленные (порожденные) специфическими зарядами кварков относительно этих взаимодействий. Вне нуклона эти силы, называемые хромодинамическими, в значительной мере компенсируют друг друга. А их «остаток», который изучается в ядерной физике, есть некий аналог взаимодействий взаимно индуцированных дипольных моментов деформированных атомов или молекул.

Чрезвычайно важно осознавать сходство и различие между хорошо известным электромагнитным взаимодействием электронов и протонов и сильным взаимодействием кварков. Известно, что электромагнитное поле, переносящее электромагнитные взаимодействия, создается заряженными частицами. Электромагнитное поле устроено достаточно просто, но на двух обстоятельствах надо зафиксировать внимание. Первое из них выявляется даже в классическом варианте теории. Уравнения Максвелла, описывающие электромагнитное поле в ситуациях, где можно пренебречь квантовыми эффектами, решаются во всех практически интересных случаях. Важно, что эти решения удается получить, несмотря на то, что одни из основных характеристик электромагнитного поля – его потенциалы – в каждой точке пространства-времени определяются неоднозначно. Второе обстоятельство поясним в рамках квантовой теории, в которой объектами исследования являются реальные фотоны (квантовый аналог электромагнитных волн) и виртуальные фотоны – переносчики электромагнитного взаимодействия. Излучение реальных и виртуальных фотонов осуществляется электрически заряженными частицами, но сами фотоны электрических зарядов не несут, и поэтому друг с другом практически не взаимодействуют (есть, правда, эффект их взаимодействия через возбуждение нулевых колебаний электрон-позитронного вакуума, но этот эффект очень мал).

Заряд есть мера способности частицы создавать электромагнитное поле и реагировать на поля, создаваемые другими частицами. В рамках геометрической интерпретации взаимодействий заряд есть мера способности частицы деформировать одну из слоистых структур, соответствующих электромагнитному взаимодействию, и реагировать на деформации этой структуры. Имеется два типа электрических зарядов, которые условно называются положительными и отрицательными. Волновые возбуждения слоистой структуры – квантованные электромагнитные волны, фотоны – сами по себе не несут электрических зарядов. Распространение фотонов происходит на фоне почти классической пустоты, искаженной только малыми вакуумными колебаниями. Электрический заряд присущ только полям вещества, но не самой слоистой структуре (последнее, собственно, и является причиной того, что структура электромагнитного взаимодействия не способна к самопроизвольным деформациям).

Существует два принципиальных отличия сильного взаимодействия и электромагнитного. Первое из них состоит в том, что различны количества зарядов, характеризующих способность частиц к этому взаимодействию. В отличие от электродинамики в квантовой хромодинамике (КХД) – науке, изучающей сильные взаимодействия кварков – имеется 6 зарядов, условно – 3 типа «положительных» и 3 типа «отрицательных». Понятно, что даже в электродинамике термины «положительный» и «отрицательный» являются условными, классификационными. При установлении такого большого числа хромодинамических зарядов возникла необходимость придумать классификационные термины, различающие эти заряды сильных взаимодействий. Физики предпочли использовать термин «цвет». 3 типа «положительных» зарядов назвали «красный», «синий», «зеленый», а 3 типа «отрицательных» – «антикрасный», «антисиний», «антизеленый».

Второе отличие между этими типами взаимодействий заключается в том, что силовое поле создаваемое хромодинамическими зарядами, само является носителем этих зарядов. Аналогично тому, как кванты электромагнитного поля – фотоны – осуществляют электромагнитное взаимодействие между заряженными частицами, взаимодействия между кварками – составными частями нуклонов – переносятся глюонным полем (по-английски glue – клей). Кванты силовых полей, переносящих сильное взаимодействие, называются глюонами, глюоны «склеивают» между собой кварки, в результате чего образуются нуклоны и другие сильновзаимодействующие частицы (напомним, все такие частицы имеют общее название – адроны).

Поскольку сильное взаимодействие определяется другим типом расслоения пространства-времени, отличным от электромагнитного, соответственно меняются и свойства переносчиков сильного взаимодействия – глюонов – по сравнению с фотонами. Каждый глюон теперь имеет одновременно один из «положительных» и один из «отрицательных» цветных зарядов, каждый из глюонов несет двойной цветной заряд, например, красный+антисиний. Кроме того, имеются глюоны, несущие на себе в неодинаковых пропорциях цвет и антицвет одного и того же типа. Анализ показывает, что всего имеется восемь типов глюонов. Глюоны сильно взаимодействуют не только с кварками, но и между собой. Поэтому глюонный вакуум совсем не похож на фотонный, в котором нулевые колебания взаимодействуют между собой очень слабо. Вакуумные флуктуации глюонных полей, возникающие в силу квантового принципа неопределенности, очень сильно взаимодействуют друг с другом.

В электродинамике незаряженная (нейтральная) система содержит равные количества положительных и отрицательных зарядов. В КХД незаряженную систему можно создать двумя способами, соответственно образуются и разные устойчивые кварковые системы. В нейтральных кварковых комплексах первого типа в каждый момент времени с равными амплитудами вероятности присутствуют такие цветовые комбинации кварков: красный+антикрасный или синий+антисиний или зеленый+антизеленый. Такие системы кварков называются мезонами. Комплексы другого типа, в которых все три цвета присутствуют в системе равноправно, но носителей антицвета нет, называются барионами. К ним принадлежат протоны и нейтроны. Если сделать мгновенную цветную фотографию протона, то мы найдем один красный кварк, один синий и один зеленый. Если поменять все цвета на антицвета, получим антипротон. Только эти два типа нейтральных по цвету систем и могут существовать в виде объектов, способных перемещаться на макроскопические расстояния. Носители открытого цвета– кварки – сами по себе не способны двигаться в пространстве, они существуют только внутри барионов и мезонов. Этот факт называется абсолютным удержанием кварков в адронах, в физике принято называть это явление конфайнментом (от английского to confine – ограничивать, удерживать). Проблема конфайнмента оказалась очень сложной для исследования. Можно сказать, что даже сегодня мы не понимаем это явление во всех деталях. Но главный фактор, препятствующий свободному распространению кварков, можем указать с уверенностью – все дело в том, что пространство-время расслоено, и отдельные слои несут на себе цветовые заряды. Конечно, в целом слоистая структура цветонейтральна. Однако в каждой микроскопической области пространства-времени имеются спонтанные флуктуации цветовых зарядов (их компенсация имеет место только в среднем), которые создают поля, препятствующие движению кварков. Характерный пространственно-временной масштаб этих флуктуаций примерно в 5 – 10 раз меньше размера нуклона R_N  10^-13 см. Подробнее возникновение флуктуаций и их внутреннюю структуру мы обсудим ниже, в разделе 4.

На нынешнем уровне теоретических и экспериментальных знаний о микромире можно утверждать, что физический вакуум имеет сложное устройство, определяемое слоистой структурой пространства-времени. Элементы же материи, частицы, рассматриваются как возбуждения вакуума. Сами по себе вакуумные флуктуации нестабильны, однако могут быть стабилизированы при взаимодействии с кварковыми конфигурациями. Именно так образуются реальные барионы и мезоны. Все это означает, что вакуум теперь можно считать системой, порождающей материю.

Доминирующий фактор, обусловливающий возникновение и существование барионов и мезонов – это локальная перестройка геометризованных вакуумных структур. Энергия, затраченная на перестройку вакуума, составляет почти половину массы нуклона и почти всю массу выделенного объекта адронной физики – пи-мезона. Однако, с другой стороны, чтобы понять существование стабильных адронов, нужно ввести внешние по отношению к геометрии пространства-времени кварковые поля и их квантами стабилизировать локальные деформации вакуумных структур. На долю этих, так называемых валентных кварков приходится вторая половина массы нуклона (этот факт известен из эксперимента). Чисто вакуумное происхождение массы пи-мезона объясняется тем, что эта частица сама по себе есть квантованная волна в вакуумном конденсате.

В принципе состояние наших знаний, основанное на разделении фундаментальных объектов физики на два типа – полей материи и силовых полей, переносящих взаимодействия, вызывает некое неудовлетворение. Хотелось бы иметь последовательную геометрическую интерпретацию не только силовых полей, но и полей вещества, вложенных, как это представляется сегодня, в расслоенное пространство-время. Впервые эту программу геометризации физики сформулировал А.Эйнштейн. В рамках геометрической теории должен использоваться единый подход к описанию частиц и взаимодействий, т.е. материальных и силовых полей. Оба типа полей в такой теории рассматриваются как характеристики геометрии пространства-времени. Реализация программы полной унификации частиц и взаимодействий потребовала существенных изменений наших представлений о геометрии пространства-времени. Из самой постановки задачи следует, что в унифицированной теории геометрические свойства пространства-времени должны описываться не только в терминах векторных полей, аналогичных электромагнитному и глюонному, но и в терминах так называемых спинорных полей, кванты которых удовлетворяют принципу Паули. Эта задача в принципе решена. Пространство-время, геометрия которого определяется векторными и спинорными полями, получило название суперпространства, а симметрия, объединяющая различные типы полей в единое суперполе, названа суперсимметрией. Математически различные унифицированные суперсимметричные модели построены, вопрос лишь в том, насколько соответствует физическая реальность идеям, заложенным в эти конструкции. Естественно, подтверждение геометрической концепции унификации полей и взаимодействий, является также и задачей эксперимента. Подробнее эти вопросы обсуждаются в Разделе 6.

Перейдем теперь к слабым взаимодействиям. Как уже отмечалось, слоистая структура пространства-времени для этого типа фундаментального взаимодействия непрерывно деформируема так, что различные слои становятся отличимыми друг от друга. Коллективными возбуждениями этой вакуумной структуры являются кванты силовых полей – переносчики слабых взаимодействий, так называемые промежуточные W^ и Z⁰ бозоны. Поскольку мы уже знаем кварковое устройство нуклонов (см. выше), схему слабого распада нейтрона можем переписать в виде: . Отметим, что в этой схеме явно присутствует тяжелый промежуточный заряженный (т.е. имеющий электрический заряд) W^ бозон. Источниками информации о тяжелых W^ и Z⁰ бозонах, переносящих слабое взаимодействие, могут служить и процессы рассеяния, например, нейтрино на кварках, причем кроме переходов с обменом заряженными W^ бозонами, есть и реакции, протекающие с обменом нейтральным Z⁰ бозоном:  . Очень детальное исследование Z⁰ бозона систематически проводится в реакциях аннигиляции электрон-позитронной пары, например, в процессе: .

Совместное теоретическое описание слабого и электромагнитного взаимодействий было предложено практически одновременно А.Саламом и С.Вайнбергом в 1967 году. Долгое время основные объекты теории – промежуточные W^ и Z⁰ бозоны – оставались лишь удобным способом описания широкого круга слабых процессов. Однако в 1983 году промежуточные бозоны были непосредственно зарегистрированы в эксперименте, причем измеренные в последующих экспериментах их параметры практически точно совпали с предсказаниями теории! Массы W^ и Z⁰ бозонов определяются характерными пространственно-временными и энергетическими масштабами вакуумных структур, соответствующих слабому взаимодействию.

Специфическая непрерывная деформация слоистой структуры «слабого» вакуума, иначе говоря, спонтанное нарушение симметрии этой структуры приводит к тому, что коллективные возбуждения обладают собственной частотой, пропорциональной параметру нарушения симметрии, в терминах частиц – квантов – это соответствует появлению у них массы покоя. В этом принципиальное отличие квантов-переносчиков слабых взаимодействий от квантов электромагнитного поля и квантов полей сильных взаимодействий.

Деформация пространственно-временных слоев соответствует тому, что состояние без частиц само по себе имеет определенные энергетические характеристики, и это состояние следует рассматривать, как материальный объект – это состояние вакуума (одна из его подсистем) называется хиггсовским конденсатом (ХК) по имени ученого П.Хиггса, впервые предложившего ввести в теорию спонтанное нарушение вакуумной симметрии. Теперь мы можем сказать точнее – масса W^ и Z⁰ бозонов определяется их взаимодействием с ХК. Энергия, запасенная в ХК, характеризуется так называемым вакуумным сдвигом, значение которого известно из эксперимента: <H_вак> = 245 ГэВ. Взаимодействия W^ и Z⁰ бозонов с ХК достаточно интенсивны, поэтому величины масс этих бозонов сопоставимы с энергетическим масштабом ХК: ГэВ, ГэВ.

Теория также предсказывает, что могут существовать и коллективные возбуждения ХК квантово-волнового характера, кванты этих волновых возбуждений называют хиггсовскими бозонами (ХБ). Естественно, массы таких бозонов также определяются свойствами самого конденсата. Можно уверенно сказать, что экспериментальное обнаружение ХБ – приоритетная задача физики высоких энергий. Ее решение планируется осуществить в ближайшие 5-10 лет на крупнейших ускорителях элементарных частиц. В результате обнаружения и исследования свойств ХБ, можно будет получить уникальную информацию о свойствах ХК, то есть обнаружение этих бозонов – ключевое событие, необходимое для подтверждения всех изложенных парадигм теории фундаментальных взаимодействий. Подробнее об этом будет идти речь в Разделе 7.

Итак, массы хиггсовских и промежуточных векторных бозонов формируются взаимодействиями с ХК, и их значения сопоставимы с энергетически масштабом ХК. Гораздо более парадоксальна ситуация с массами фермионов. Известно, что массы u, d кварков и электронов также определяются взаимодействиями с тем же самым ХК, однако значения масс МэВ, МэВ, МэВ чрезвычайно малы по сравнению с характерным энергетическим масштабом ХК. Это означает, что взаимодействия u, d и e с ХК, являются очень слабыми, хотя роль этих взаимодействий в формировании структуры материи весьма велика. Неожидан и нетривиален сам факт – малые массы кварков и электронов формируются в процессах, происходящих на малых расстояниях, соответствующих масштабам энергий порядка 100 ГэВ, огромным по сравнению со значениями самих масс.

Таким образом, к концу теперь уже прошлого, XX-го века благодаря интенсивным теоретическим и экспериментальным усилиям физиков всего мира можно считать твердо установленным следующее утверждение: все частицы материи – u и d кварки и электроны, из которых состоит наш мир, приобретают свои массы за счет взаимодействия с вакуумными конденсатами.

Еще более впечатляющим является ответ на вопрос о природе масс нуклонов. Вопрос возникает уже при сопоставлении суммарной массы трех кварков (примерно 15 МэВ) с наблюдаемой физической массой нуклонов МэВ. Как видим, масса кварков составляет лишь около 1.5% массы нуклона. Помня об эквивалентности массы и энергии, можно было бы предположить, что вся остальная масса находится в форме энергии движения кварков внутри нуклонов. Однако эксперименты по исследованию внутренней структуры нуклонов опровергают это предположение – энергия движущихся кварков составляет менее половины массы нуклона. Эти экспериментальные данные поставили серьезнейшую задачу о природе массы материи. Парадоксальный ответ состоит в том, что природу массы материи можно разгадать, только на основе представлений о структуре вакуума.

Оказалось, что ХК отнюдь не единственная подсистема, формирующая свойства вакуума. Еще одна подсистема, существование которой доказано и теоретически, и экспериментально, получила название кварк-глюонного конденсата (КГК). Физика КГК, приведшая к революционным изменениям в представлениях о природе вакуума, подробно обсуждается в Разделе 4. Здесь мы ограничимся лишь очень краткой информацией об этом чрезвычайно интересном объекте. Для понимания природы КГК важно учитывать три обстоятельства: во-первых, глюонные поля, в силу общих законов квантовой теории, непрерывно флуктуируют в каждой точке пространства-времени; во-вторых, эти флуктуации индуцируют квантовые флуктуации кварковых полей; в-третьих, все перечисленные флуктуации сильно взаимодействуют друг с другом. КГК есть система сильно взаимодействующих кварковых и глюонных флуктуаций. Отметим, что процесс динамической генерации квантовых флуктуаций обладает целым рядом нетривиальных особенностей, не имеющих никаких аналогов в классической физике. Именно эти особенности мы и будем обсуждать в Разделе 4. Сейчас для нас важно, что нетривиальная структура кварк-глюонного вакуума автоматически обеспечивает возможность локальной перестройки этой структуры с изменением энергии вакуума в ограниченной области пространства. И такие области пространства действительно существуют во Вселенной! Именно их мы и называем нуклонами!

Согласно современным представлениям, нуклон есть пространственно ограниченная область перестроенного КГК, стабилизированная тремя валентными кварками. (Валентными называются кварки, несущие квантовые числа протона – спин, изоспин, электрический и барионный заряды.) Масса нуклона определяется, во-первых, энергией, затраченной на перестройку структуры вакуума, и, во-вторых, энергией валентных кварков. Эксперимент показывает, что эти две формы энергии численно вносят примерно одинаковый вклад в величину массы нуклона. В этом и состоит объяснение природы массы нуклонов.

Детальный теоретический анализ показал, что проблема природы массы на самом деле еще глубже. Выше мы отмечали, что массы покоя кварков составляют ничтожную часть массы нуклонов. Казалось бы, возможно существование гипотетического мира, в котором массы уд кварков равны нулю, и такой мир очень слабо отличался бы от нашего мира. Однако такое утверждение, целиком понятное с позиций «здравого смысла», оказывается совершенно неверным. Отличие от нуля масс уд кварков является обязательным условием для существования самого КГК. Об этом мы также расскажем в Разделе 4.

Итак, по современным представлениям, масса материи формируется за счет вакуумных эффектов на двух уровнях. Обе вакуумные подсистемы – ХК и КГК – принимают, как мы видим, конкретное и уже экспериментально изучаемое участие в формировании свойств материи. Иначе говоря, можно сказать, что современная физика раскрыла природу массы! Ответ на вопрос о происхождении масс и ее природы свелся к исследованию конкретных вакуумных структур. До последнего времени этот вопрос вообще не мог быть поставлен, а массы фигурировали в физике как фундаментальные константы. Теперь же можно считать доказанным, что массы различных частиц не являются фундаментальными константами, а определяются условиями существования системы в целом и вакуумных подсистем в частности.

Подведем некоторые промежуточные итоги и попытаемся ответить на вопрос: согласуется ли утверждение «вакуум – среда с очень сложной структурой» с нашими интуитивными ощущениями? Мы ведь привыкли воспринимать окружающую среду как нечто, оказывающее определенное сопротивление движению тел, «тормозящее» движение. С другой стороны, кажется, что в вакууме тела должны двигаться свободно, вакуум, понимаемый как пустота, вроде бы никакого влияния на движение оказывать не должен. Здесь возникает первое противоречие со здравым смыслом. Второе противоречие проявляется в том случае, когда мы полагаем, что с любой материальной средой можно связать систему отсчета. Но специфика вакуумной среды как раз и состоит в том, что с ней выделенную систему отсчета связать невозможно! В этом-то и состоит отличие физического вакуума от эфира. Что же касается первого утверждения – о влиянии среды на характер движения – то оно как раз таки справедливо. Это влияние проявляется в том, что все частицы, из которых состоят материальные тела, имеют массу покоя и, следовательно, всегда двигаются со скоростью, меньшей скорости света. Итак, само наличие массы у элементарных частиц есть следствие существования вакуума с нетривиальной структурой.

Сейчас мы понимаем, что свойства вакуума могут быть изменены. В частности, один из таких экспериментов планируется осуществить в ближайшие годы в Брукхейвене (США) на крупнейшем ускорителе тяжелых ионов (см. ниже Раздел 5).