Конфайнмент и адронизация

 Обычно, когда известно, что какой-то предмет или вещество состоит из частей (молекул, атомов (ядер, электронов)), то возникает любопытство, что собой представляет его отдельная часть. Для её рассмотрения, анализа  и экспериментального изучения эту часть, как правило, пытаются отделить. 

Теперь рассмотрим адроны (мезоны и барионы). Если данные частицы состоят из отдельных элементов материи – кварков, то что мешает их отделить друг от друга и изучить в отдельности? В чём состоит особенность глюонного поля, удерживающего кварки в области конфайнмента*?

* область радиус, которой соизмерим с радиусом адрона

Дело в том, что когда кварки находятся близко друг другу, они практически не испытывают взаимодействия. При этом силовые линии глюонного поля будут выглядеть практически также как силовые линии кулоновского поля. Когда  кварки удаляются друг от друга, то сила их глюоного поля возрастает, а его линии сжиматься в трубкообразную область. Если силовой глюонной трубке плотность энергии ( ) на единицу длины постоянна, то потенциальная взаимодействия кварков при их отдалении будет возрастать  по закону: .

Сравнение силовых линий глюонного поля, возникающего при взаимодействии двух противоположно заряженных кварка кварков с кулоновским полем, возникающим при взаимодействии электрона и позитрона

При попытке «вырвать» кварк из адрона потенциальная энергия глюонного поля вырастает до тех пор настолько, что её станет достаточно, чтобы образовать дополнительную кварк-антикварковую пару (каоны, пионы и т. п.). Поэтому никакой кварк никогда не сможет вылететь из своего адрона в одиночном состоянии. А новый же мезон уже может улететь от оставшегося адрона на сколь угодно далеко, так как действующие между ними электромагнитные силы с расстоянием ослабевают.

Описанный процесс превращения набора партонов (совокупность из кварков (и / или антикварков) и глюонов) называется адронизацией.

Поэтапная иллюстрация процесса адронизации. Рис. с сайта www.nature.com Возрастающей энергии глюонного поля выгоднее породить кварк-антикварковые пары, которые и замкнут это поле на себя.

Ещё более проще процесс адронизации можно также представить и следующим образом. Когда какой-то кварк пытается отдалиться от другого кварка, сразу же происходит натяжение глюонного поля в виде струны, которое пытается его удержать. Если же «убегающий» кварк обладает незначительной энергией, «глюонная струна» возвращает его обратно. Если же импульс «убегающего» кварка  значительно больше относительно адрона, то растяжение струны достигает критического момента, и она «лопается». На её месте образуется кварк-антикварковая пара (см. рис. «Поэтапная иллюстрация процесса адронизации», с), которая легко вырывается наружу в качестве мезона.

Каким образом кварку сообщается столь высокие значения энергии, приводящие к разрыву «глюонной струны» и рождению мезонов? Ответ прост: с помощью ускорителей заряженных частиц.

 Всё выше описанное достаточно сильно упрощено. Реальное положение дел гораздо сложнее. За решение данной задачи математическим институтом им. Т. Клэя (США) даже назначена премия в миллион долларов. “Однако, на описательном уровне явление конфаймента считается установленным”.