Квантовая хромодинамика

Следующий шаг на пути познания фундаментальных взаимодейст­вий — создание теории сильного взаимодействия. Для этого необхо­димо придать черты калибровочного поля сильному взаимодействию. Сильное взаимодействие можно представлять как результат об­мена глюонами, который обеспечивает связь кварков (попарно или тройками) в адроны (см. 10.3.2).

Замысел здесь состоит в следующем. Каждый кварк обладает ана­логом электрического заряда, служащим источником глюонного поля. Его назвали цветом *.

* Как и в случае с термином «кварк», термин «цвет» здесь выбран произвольно и никакого отношения к обычному цвету не имеет.

Если электромагнитное поле порождается зарядом только одного сорта, то более сложное глюонное поле создается тремя различными цветовыми зарядами. Каждый кварк «окрашен» в один из трех возможных цветов, которые (совершенно произвольно) назвали крас­ным, зеленым и синим. И соответственно, антикварки бывают анти­красные, антизеленые и антисиние.

На следующем этапе теория сильного взаимодействия развива­лась по той же схеме, что и теория слабого взаимодействия. Требова­ние локальной калибровочной симметрии (т.е. инвариантности относительно изменений цвета в каждой точке пространства) приво­дит к необходимости введения компенсирующих силовых полей. Всего требуется восемь новых компенсирующих силовых полей. Час­тицами — переносчиками этих полей являются глюоны, и, таким образом, из теории следует, что должно быть целых восемь различ­ных типов глюонов. Как и фотон, глюоны имеют нулевую массу покоя и спин 1. Глюоны также имеют различные цвета, но не чистые, а смешанные (например, сине-антизеленый), т.е. глюоны состоят из «цвета» и «антицвета». Поэтому испускание или поглощение глюона сопровождается изменением цвета кварка, («игра цветов»). Так, на­пример, красный кварк, теряя красно-антисиний глюон, превращает­ся в синий кварк, а зеленый кварк, поглощая сине-антизеленый глюон, превращается в синий кварк. В протоне, например, три квар­ка постоянно обмениваются глюонами, изменяя свой цвет. Однако такие изменения носят не произвольный характер, а подчиняются жесткому правилу: в любой момент времени «суммарный» цвет трех кварков должен представлять собой белый свет, т.е. сумму «крас­ный + зеленый + синий». Это распространяется и на мезоны, состоящие из пары кварк — антикварк. Поскольку антикварк характеризует­ся антицветом, такая комбинация заведомо бесцветна («белая»), на­пример красный кварк в комбинации с антикрасным кварком образу­ет бесцветный мезон.

С точки зрения квантовой хромодинамики (квантовой теории цвета) сильное взаимодействие есть не что иное, как стремление поддерживать определенную абстрактную симметрию природы: со­хранение белого цвета всех адронов при изменении цвета их состав­ных частей *. Квантовая хромодинамика великолепно объясняет пра­вила, которым подчиняются все комбинации кварков, взаимодейст­вие глюонов между собой (глюон может распадаться на два глюона или два глюона слиться в один — поэтому и появляются нелинейные члены в уравнении глюонного поля), взаимодействие кварков и глюонов (кварки покрыты облаками глюонов и кварк-антикварковых пар), сложную структуру адрона, состоящего из «одетых» в облака кварков, и др.

* Лептоны, фотоны и промежуточные бозоны (W- и Z-частицы) не несут света, а поэтому не участвуют в сильном взаимодействии.

Возможно, пока преждевременно оценивать квантовую хромодинамику как окончательную и завершенную теорию сильного взаимо­действия, но экспериментальный статус ее достаточно прочен и до­стижения многообещающи.