И.М. Капитонов - Введение в физику ядра и частиц (1120452), страница 29
Текст из файла (страница 29)
Нет ни одного факта, протвворечащего этой модели. Более того, есть опыты, которые подтверждают существование кварков. Целью данной лекции является описание некоторых из этих опытов. 1. Отсутствие кларков в свободном состоянии Если все адроны состоят вз кварков, то естественны попытки обнаружить их в свободном состоянии.
Казалось бы, обнаружение кварков не такая уж сверхсложная задача. Ови имеют дробный электрический заряд, и его нельзя нейтрализовать никаким числом электронов или вротовов. Если, например, в капле масла один кварк, ее заряд будет дробным. Опыты с капельками в начале ХХ века позволили определить заряд электрона. Опыты с подвешиванием заряда повторили после возникновения кварковой модели.
Результат — отрвцателъный. Ограничение на концентрацию дробнозарядвых частиц согласно этим опытам < 10 эс кварк/нуклон. Протоны космических лучей достигают энергий 10м ГэВ. Можно бътпо предположитьэ что ови, взаимодействуя с атмосферой| способны выбивать кварки. Последние| становясь центрами конденсашпс водяиъш паров, падали бы с долпгями на Землю в в конце концов попадали бы в озера, моря и океаны. Этот механизм действовал бы постоянно (распастъся же в связи с дробным зарядяе самый лепсий кварк ие молит) н концентрация кварков в водоемах Земли должна расти со временем.
Оценки показывают, что за время существования Земли могло зь 'счет этого механизма накопиться 10е кварков в 1 сзез'ййпя. Есйс сравнить зто с конпентрапвей протонов но ес 10зе см з, 'то одни кварк црвходится 187 на 10зе протонов, Этот предел (пе/а„в 10 'з) давно превышен числом 10 зг. Это число дал точный масс-спектроскопический елализ воды.
Лелались попытки обнаружить кварки непосредственно в космических лучах. Получено следующее ограничение на кварковый поток из космоса < 2 ° 10 мсм зс г ср ~. Кварки искали и в метеоритах, и в специфическом излучении атмосфер звезд, если бы в них была атомы, где роль ядра играет кварк, или атомы с кварком на внутренних оболочках. Все зти попытки оказались безрезультатными.
Кварки не обнаруживают в свободном состоянии и в ускорительных зкспериментах. Сегодня большинство специалистов склоняется к тому, что в свободном состоянии кварков нет. 1'сверят о пленении (конфайименте) кварков в адронах. На примере системы кварк-антикварк (77) можно пояснить процесс невылетания кварков (рис. 11.1). На малых расстояниях силовые линии цветового поля выл лядят также как и кулаковского поля. Когда кварк и антикварк расходятся, их цветовое взаимодействие становится сильнее.
Из-за взаимодействия глюонов друг с другом силовые линии цветового поля между е н е на увеличенных расстояниях сжаты в трубкообразную область. Это отлично от случая кулоновского поля, где ничто не препятствует силовым линиям расходиться. Нет взаимодействия между фотонами, которое бы их удерживало друг вблизи друга (кванты поля двигаются вдоль силовых линий).
Если в цветовой трубке плотность знергии на единицу длины постоянна н равна А; то потенциальная знергия взаимодействия между д и е будет возрастать при их отдалении: У(г) = Хг, так что кварки никогда не смогут вылететь. Таков вкратце механизм удержания кварков в бесцветных адронах. Рас. 11.1 ы Левчик 11 188 Расходящаяся пара 8~ растягввает цветовые силовые ливии до тех пор, вока возрастающая пвгевциакьпая энергия пе окажется достаточной для образоваивя вовой пары Я.
Родившиеся е в 7 — конечные точки разорванных'силовых линий, так что трубка делится на две (а'прп дальнейэпем растяжении и ва три, четыре и т.д.) более коротких трубки с мевъшей полкой энергией. Это похоже ва то, как нельзя оторватыюлюса магнита друг от друга (рис. 11.2). 9 бе 89 е Ряс. ы.з В целом взаимодействие между двумя кварками опксыэается 'потенциалом типа воронки а,Ьс У,щ — — +Аг, (11.1) где первое слагаемое, доминирующее пе, малых (< 0.2 Фм) расстояниях, создается обменом одиночвымв глюоиами и имеет тот же вид, что и потенциал кулововского взаимодействия между единичными разноименными зарядами (11.2) (следует помнить, что константа взаимодействия и квадрат заряда связаны соотношением (8.5)). Второе слагаемое, домвш~- рующее ва больших расстояввях, обусловлено механизмом конфайнмевта — удержания кварков в адронах и создается многоглюовным обзеевом.
При этом вз эксверимевта А е 1ГэВ/Фм. Таким образом, для того чтобы раздвинуть два кварка на расстояние 1 см нужна фантастическая энергия в 101э ГэВ. Силы, 189 действующие между двумя кварками на больших расстояниях, напоминают силы, создаваемые растягиваемой пружиной. Говорят о «мягкой пружине конфайнмента», имея ввиду то, что ее потенпиэльная энергия пропорпионельна г, а не г', как у жесткой механической пружины. -2 0,3 1.0 Рис. 11,3. Поссвцволы силового и вулововссого всоииолойсоввй (о, гс 0.3, А м 1 Гсв/Фи) '2. Эксперименты, подтверждающие наличие кварков в адронах Глубоконеупругое рассеяние электронов нуклонами Первые доказательства существования кварков в протоне были получены в 1968-19б9гг.
в серии исторических экспериментов на трехкилометровом линейном ускорителе электронов 8ЬС (Стэнфорд, Калифорния, США (см. табл.8.1)). В то время энергия электронного пучка ускорителя бъгла 20 ГзВ. Электроны бомбардировали протоны. Электроны точечны и не участвуют в сильном взаимодействии. Они легко проникают вглубь протона, не взаимодействуя сильно, и «чувствуют» кварки за счет электромагнитных сил. В дальнейшем эксперименты были выполнены и с пучками других лептоиов (/г, и). Энергия менялась от 18 до 200 ГэВ. Отбирелись только глубоконеупругие события, т.е. такие, когда большая часть энергии и импульса налетающей частипы шла на изменение внутреннего состояния нуклона 190 Левчик 11 (о глубокопеупругом рассеякви электрола па протоне уже говорилось в конце Лекцви10).
Оказалось, что в олисываемых опытах налетающие частицы часто рассеивались па углы много большие чем те, которые ожидались в предположении пепрерывпого распределения заряда впутри вуклоиа. Это можно обьяснить лишь палвчвем ввутри пупкова заряжевшях объектов, несущих значительную часть массы вуклопа и имеющих размеры много меньшие размера пуялопа. Эти зксперимевты подобны эксперименту по рассеянию атомами >з-частиц па большие углы, который доказал существование атомного ядра (опыт Резерфорда). Глубокопеупругое рассеяпие лептопов высоких энергий пухлонами — это как бы опыт Резерфорда третьего поколения (ко второму поколению отпосят пеупругое рассеяпие электронов с энергиями сотни МэВ атомными ядрами, демонстрирующее па.
личие пукловов внутри ядра). В опыте Резерфорда весь удар а частицы приходится в малую часть атома — ядро. В глуб>жопеупругом рассеянии электронов вуклоиом весь удар приходится в малую часть пуклопа кварк. Плипа волны виртуального фезова> «освещающего» пуклоп, определяет размер тмс объектов, которые можно «увидеть» впутри пего. Возможвости совремевпых ускорителей позволяют обнаружить внутри пуклопа объекты размером до 10 зе см, т.
е, в 10з раз более мелкие, чем сам пуклоп. Мы в данном курсе пе имеем возможноств детально описывать эксперименты по глубокопеупругому рассеянию лептопов па пуклопах и продемонстрировать, как из этих экспериментов извлекаются характеристики точечпоподобвых объектов, обпаружеввых в вуклове. Подчеркнем лишь, что авализ этих экспервмептов одвозлачек, так как, вапример, в случае исцользовавия заряженных лептовов е и >в„ваблюдаемые яффе~ты вызваны хорошо изученным и поддающимся достаточно точному расчету электромагнитным взаимодействием.
Результаты всех исследоеаиий сводятся к следующему: 1. Внутри вуклопа обпаружепы точечиоподобпые объекты — партопы (< 10 'Е см), в которых сосредоточеиа вся масса (впутрепвяя энергия) пуклоиа. 2. Заряженные партовы вмеют все характериствки кварков — их опии 1, а заряды либО +$е, 'либо $е. ' ' 3. Нейтральные партовы,'отождествляемые с глюопами, пасут около половины впутрешмго вмпульса (эпергви) луклона. 191 ~ви с Т» т,» Рис.
ыл В целом результаты этих исследований подтверждают внутреннюю структуру нуклона, описанную в п. 6 Лекции 10, как частицы, состоящей из трех велентных кварков, виртуальных мороках кварков/антвкварков н глюонов, причем доли внутреннего импульса протона распределяются среди этих типов партонов в соответствии с (10.28). Супруг адронов При лобовом столкновении е и е+, имеющих одинаковые энергии, рождается виртуальный фотон в состоянии покоя. Если энергия столкновення велика, этот фотон затем может превратиться в пару кварк-антикварк (9д).
В силу закона сохранения импульса 9 н д должны лететь в противоположных направлениях от точки рождения, растягивая «мягкую пружину конфайнмента». Когда йф-пара расхолнтся на расстояние м 1 Фм, натяжение этой пружины становнтся столь сильным, что она лопается, образуя новые дд-пары (рнс. 11.2). При энергнях столкновении е н е+, доступных современным ускорителям, пружина конфайнмента лопается многократно н рождаются десятки новых йд-пар, двигающихся в направлениях вылета первичных кварка и анти- кварка. 'ь"акнм образом, возникают кварк-антнкварковые струн, двнгакяпнеся в протнвоположных направлениях.
Однако кварки (антвкварки) в изолированном состоянии не могут далеко 1йг Ленчик 11 уйти из области размером ят 1Фм и тем более быть зарегвстрироваяы детекторами. Они объединяются в адроны (глааным образом в мезовы, кварковый состав которых Я). Прв этом происходит «обесцвечивание» кварков и компенсация нх дробных зарядов.
![](https://s.studizba.com/z.php?f=/templates/si/i/noavatar.png&w=100&h=100&t=1"){kind=avatar}
