Струи: проявления кварков и глюонов

Кварки, глюоны и антикварки — это составные части протонов, нейтронов и (по определению) других адронов. Удивительным физическим свойством нашего мира является то, что когда одна из этих частиц выбивается из содержащего её адрона, и летит с большой энергией движения, она остаётся ненаблюдаемой макроскопически. Вместо этого кварк высокой энергии (или глюон, или антикварк) превращается в «брызги» адронов (частиц, состоящих из кварков, антикварков и глюонов). Эти брызги называют «струёй». Отметим, что это справедливо для пяти самых лёгких цветов кварка, но не для верхнего кварка, распадающегося на W-частицу и нижний кварк до того, как может появиться струя.

В статье я примерно опишу как и почему из обладающих высокой энергией кварков, антикварков и глюонов появляются струи.

Это поведение кварков, отличное от поведения заряженных лептонов, нейтрино, фотонов и прочих, происходит из того факта, что кварки и глюоны подвержены действию сильного ядерного взаимодействия, в то время как другие частицы ему не подвержены. Большая часть взаимодействий между двумя частицами становится слабее с увеличением расстояния. К примеру, гравитационное взаимодействие между двумя планетами падает обратно пропорционально квадрату расстояния между ними. То же выполняется для электрического взаимодействия между двумя заряженными объектами, оно также падает как квадрат расстояния. Вы самостоятельно можете потереть надувной шарик, зарядив его статическим электричеством, а потом поднести к голове. Если поднести его ближе, ваши волосы встанут дыбом, но этот эффект быстро исчезает, если отодвинуть шарик дальше.

Сильное же ядерное взаимодействие, хотя и растёт на коротких дистанциях и уменьшается на больших (хотя не так быстро, как электричество — это свойство важно для понимания истории сильных взаимодействия), однако перестаёт уменьшаться на расстояниях порядка одной миллионной от миллиардной доли метра — порядка радиуса протона, что в 100 000 раз меньше радиуса атома. И это не случайность — этот эффект на самом деле обуславливает размер протона. Это взаимодействие, порождаемое глюонным полем, становится постоянным. А это значит, что если вы попробуете вытащить кварк из протона, как на рис. 1, вы обнаружите, что тащить его не становится легче, в то время, как вы отодвигаете его всё дальше и дальше. Ощущение примерно сравнимо с растягиванием резиновой ленты. За исключением того, что эта резиновая лента в какой-то момент порвётся. Как только в ленте накопится достаточно много энергии, природа предпочтёт порвать её надвое, вместо того, чтобы позволить вам тянуть дальше. И когда она порвётся, вместо одного адрона (протон) у вас получится два: протон или нейтрон плюс (обычно) пион. В момент разрыва пара кварк/антикварк формируется определённым образом — энергия в виде натяжения ленты преобразуется в энергию массы кварка и антикварка, плюс в определённую энергию движения некоторых дополнительных глюонов. Энергия сохраняется: начали вы с энергии массы протона, добавили энергию на растяжение протона, и получили энергию массы двух адронов (без всякого растяжения). Электрический заряд также сохраняется, так что у вас получится либо нейтральный пион и протон, либо положительно заряженный пион и нейтрон.

Рис. 1: если попытаться вытащить кварк из протона при помощи волшебного пинцета, то протон сначала исказится, а потом разобьётся на два адрона. Ваша попытка освободить кварк провалится, а затраченная энергия превратится в энергию массы второго адрона.

Что происходит, когда кварк высокой энергии выбивают из протона? К примеру, быстро движущийся электрон врезается в протон, сильно ударяет по кварку, придавая ему энергию движения гораздо большую, чем энергия массы всего протона?

Грубо говоря — экспертам скажу, что частично это заявление будет наивным и немного уводящим от сути, но позже я его скорректирую — происходит примерно то же, что показано на рис. 1, но в большем масштабе. Кварк двигается так быстро, что появляющаяся резиновая лента не успевает разорваться и растягивается слишком сильно — см. середину рис. 2. В результате она, вместо того, чтобы разорваться в одном месте и сформировать два адрона, разрывается во многих местах и формирует много адронов (в основном пионы и каоны (похожи на пионы, но содержат странный кварк или антикварк) и эта-мезоны, или, что реже, протоны, нейтроны, антипротоны или антинейтроны). Все они направятся более-менее в одном направлении. В результате у нас появятся брызги адронов, большая часть которых будет лететь в направлении изначального кварка. Вот вам и струя.

Рис. 2

Первоначальная энергия высокоэнергетического кварка теперь разделилась между адронами в струе. Но для кварков достаточно больших энергий (10 ГэВ и более) в формировании энергии массы новых адронов участвует малая доля энергии; большая её часть переходит в энергию их движения. В результате общая энергия и направление струи похожи на начальную энергию и направление кварка. Измеряя энергию и направление движения всех адронов струи, и определяя энергию и направление движения струи как целого, специалисты по физике частиц получают неплохую оценку энергии и направления движения изначального кварка.

То же верно для антикварков, и, с небольшой модификацией, для высокоэнергетических глюонов.

Хочу заметить, что никто не может подсчитать, как этот процесс происходит детально. Нам известно то, что я вам рассказал, в результате комбинации десятилетий теоретических подсчётов, теоретических догадок и данных — подробных данных из разных источников — которые в целом показывают, что эта история примерно такая и есть. И у нас есть причины быть в ней уверенными. Множество наших высокоточных проверок теории сильного ядерного взаимодействия в ином случае провалились бы.

Примечание: этот похожий на резинку объект специалисты по физике высоких энергий называют КХД-струной (КХД, или квантовая хромодинамика — это уравнения, описывающие сильное ядерное взаимодействие). Исторически, пытаясь понять наблюдаемое нами поведение адронов в природе (до того, как физики придумали КХД и открыли глюоны, и когда в кварках разбирались не так хорошо), теоретики в конце 1960-х придумали теорию струн. Только позже стало понятно, что струна в этой ранней теории струн была реальной вещью, частью физики. И ещё позже стало понять, что КХД-струны не получается сносно описать при помощи стандартной теории струн. Какое-то время это считали провалом, пока Шерк и Швартц не указали на то, что струнная теория может лучше подойти для описания квантовой гравитации (и, вероятно, всех фундаментальных частиц). И специалисты по теории струн отправились в другом направлении. А недавно стало понятно, как можно сделать нечто неожиданное при помощи стандартной теории струн, чтобы она лучше (не идеально, но гораздо лучше) описывала КХД-струны. К сожалению, она до сих пор отвратительно описывает струи.

Очевидно, есть ещё много всего, что можно сказать по поводу сильного ядерного взаимодействия.

Рис. 3

Теперь давайте я исправлю ту неточность, которая допущена на рис. 2. Я опустил ключевой этап. Ударенный кварк, как любая ускоренная частица, будет излучать. Внезапно ускоренный электрон будет излучать фотоны; внезапно ускоренный кварк будет излучать глюоны (и фотоны тоже, но их гораздо меньше). Это показано справа вверху на рис. 3. По этому на самом деле на краю протона появляется не быстрый кварк (рис. 3, слева в середине), а набор быстрых глюонов плюс быстрый кварк. В результате процесс формирования струи адронов (рис. 3, внизу) получается более сложным, чем на рис. 2, хотя итог у них более-менее одинаковый. Но форма струи на самом деле определяется тем, как излучаются глюоны ещё до того, как кварк выйдет из протона. Процесс излучения глюонов кварком можно подсчитать! Поэтому, при помощи уравнений для сильного ядерного взаимодействия можно подсчитать гораздо больше свойств струи, чем это может показаться на основе наивного рис. 2. Эти вычисления проверены данными, в результате чего были проверены уравнения для описания сильного ядерного взаимодействия.