Ричард Фейнман - КЭД – странная теория света и вещества

Позвольте показать вам принятую сейчас таблицу фундаментальных частиц (см. рис. 79). Я начну с частиц, распространяющихся от точки к точке в соответствии с формулой Е ( А – В), которая видоизменена, как и в случае электрона, чтобы учесть поляризацию. Они называются частицами «со спином ½». Первая из этих частиц – электрон, и его массовое число 0,511 (в единицах, которые мы все время используем – МэВ) [28].

Под электроном я оставлю свободное место (оно будет занято позднее), а еще ниже впишу кварки двух типов – d и и. Масса этих кварков точно не известна; предполагается, что у каждого она порядка 10 МэВ. (Нейтрон немного тяжелее протона, что вроде бы подразумевает – и вы это скоро увидите – что d -кварк несколько тяжелее, чем и -кварк.)

Рис. 80. Все частицы, состоящие из кварков, принадлежат к од-ному из двух классов. Одни состоят из кварка и антикварка, а другие из трех кварков. Самые известные из этих последних – протон и нейтрон. Заряды u-кварка и d-кварка комбинируются в +1 для протона и в 0 для нейтрона. Тот факт, что протон и нейтрон состоят из движущихся внутри них заряженных частиц, дает ключ к пониманию того, почему у протона магнитный момент превышает 1, а у, казалось бы, нейтрального нейтрона не равен нулю.

Вслед за каждой частицей я выписываю ее заряд или константу взаимодействия в единицах – j. Это число, взятое с обратным знаком, характеризует взаимодействие с фотоном. Таким образом, получается, что заряд электрона равен –1, что соответствует традиционному значению, введенному еще Бенджамином Франклином. Для d -кварка амплитуда взаимодействия с фотоном равна – ⅓, для и -кварка – +⅔. (Если бы Бенджамин Франклин знал о кварках, он мог бы по крайней мере сделать заряд электрона равным –3!)

Заряд протона равен +1, нейтрона – нулю. После некоторого подбора чисел вы можете видеть, что протон, состоящий из трех кварков, должен содержать два и -кварка и один d -кварк. А нейтрон, также состоящий из трех кварков, должен содержать два d -кварка и один и -кварк (см. рис. 80).

Что удерживает вместе кварки? Может быть, летающие взад и вперед фотоны? ( d -кварк имеет заряд – ⅓, а u -кварк – +⅔, поэтому они, как и электроны, испускают и поглощают фотоны.) Нет, электрические силы слишком слабы для этого. Тогда придумали нечто другое, что летает взад и вперед и удерживает кварки вместе; это нечто назвали «глюоны» [29]. Глюоны, как и фотоны, еще пример частиц «со спином 1». Амплитуда попадания глюона из точки в точку определяется точно такой же формулой, что и для фотонов, Р ( А – В ). Амплитуда излучения или поглощения глюонов кварками равна таинственному числу g, которое значительно превосходит j (см. рис. 81).

Диаграммы, изображающие обмен кварков глюонами, очень похожи на картинки, на которых мы изображали обмен электронов фотонами (см. рис. 82). Настолько похожи, что вы можете сказать, что у физиков нет воображения – теория сильных взаимодействий просто копирует квантовую электродинамику! И вы правы: так и есть – но с некоторыми особенностями.

Рис. 81. «Глюоны» удерживают вместе кварки, составляющие протоны и нейтроны, и косвенно ответственны за притяжение протонов и нейтронов друг к другу в атомном ядре. Глюоны удерживают кварки силами, значительно превышающими электрические. Константа взаимодействия с глюонами g значительно превосходит j. Поэтому вычислять диаграммы глюонными взаимодействиями гораздо труднее, и наилучшая точность, на которую пока можно надеяться, не превышает 10 %.

Рис. 82. Диаграмма, изображающая два кварка, которые обмениваются глюоном. Она на-столько похожа на диаграмму для двух электронов, обменивающихся фотоном, что вы можете подумать, что физики просто скопировали квантовую электродинамику, строя теорию «сильных взаимодействий», удерживающих кварки внутри протонов и нейтронов. Да, так оно и есть – почти.

У кварков имеется добавочный тип поляризации, не связанный с геометрией. Простаки-физики, не способные возвыситься до изобретения прекрасных греческих слов, назвали этот тип поляризации неудачным словом «цвет». Этот «цвет» не имеет никакого отношения к цвету в обычном смысле. В данный момент времени кварк может находиться в одном из трех состояний, или «цветов» – К, 3 или С (догадываетесь, что означают эти сокращения?). При поглощении или испускании глюонов «цвет» кварка может измениться. Глюоны бывают восьми различных сортов, в зависимости от того, какие «цвета» они связывают. Например, если красный кварк становится зеленым, он испускает красно-антизеленый глюон – глюон, который забирает у кварка красный цвет и дает зеленый («антизеленый» означает, что глюон переносит зеленый цвет в противоположном направлении). Такой глюон может быть поглощен зеленым кварком, который станет после этого красным (см. рис. 83). Имеются восемь различных глюонов, например, красно-антикрасный, красно-антисиний, красно-антизеленый и т. д. (вы могли бы подумать, что их должно быть девять, но по техническим причинам один отсутствует). Теория не слишком сложная. Общее правило гласит: глюон взаимодействует с тем, что имеет «цвет», – требуется лишь немного бухгалтерии, чтобы проследить, куда переносятся «цвета».

Это правило создает, однако, интересную возможность: глюоны могут взаимодействовать с другими глюонами (см. рис. 84). Например, зелено-антисиний глюон, встретившись с красно-антизеленым, превращается в красно-антисиний глюон. Глюонная теория очень проста – вы рисуете диаграмму и расставляете «цвета». Величины взаимодействий во всех диаграммах определяются глюонной константой связи g.

Формально глюонная теория не сильно отличается от квантовой электродинамики. Ну а как она соотносится с экспериментом? Например, как наблюдаемая величина магнитного момента протона соотносится с теоретической?

Рис. 83. Глюонная теория отличается от электродинамики тем, что глюоны взаимодействуют с «цветными» частицами (которые могут находиться в одном из трех возможных состояний – «красном», «зеленом» и «синем»). Здесь красный и-кварк пре-вращается в зеленый, испуская красно-антизеленый глюон, поглощаемый затем зеленым кварком, который превращается в красный. (Если «цвет» переносится вспять во времени, к его названию добавляется приставка «анти»).