Отличие КЭД от КХД

 О теориях КЭД и КХД упоминалось при рассмотрении участия некоторых групп элементарных частиц в электромагнитном и сильном взаимодействиях, а также при объяснении наделения кварков  цветовыми зарядами. Отличительные особенности этих теорий требуют отдельного рассмотрения.

Коренным отличием КЭД от КХД в том, что квант электромагнитного поля – фотон, в отличие от глюонов, не может испускать и поглощать другие фотоны. И эта невозможность хорошо видна в уравнении Дж. Максвелла  для векторного потенциала:

где . Из данного уравнения следует, что источником свободного электромагнитного поля (векторного потенциала) может быть только движущийся электрический заряд (электрический ток).

Обменный характер электромагнитного взаимодействия

В электромагнитном взаимодействии за счёт узлов такого типа, как представлен на рисунке справа, или эго вариаций, электрон может на короткое время и на малых расстояниях порождать виртуальные фотоны, а через них  -пары.  В связи с этим свободный электрон  изображают не одиночной линией    , отвечающей «голому» электрону, а линией бесконечной суммой усложняющихся диаграмм   (см.   рис.  «Поэтапное   изображение   свободного

Поэтапное изображение свободного электрона

электрона»), т. е. вместе с той нарастающей «шубой» виртуальных  -пар и фотонов. Одна из возможных таких конфигураций представлена ниже.

Диаграмма экранировки свободного электрона

Подобным образом в сильном взаимодействии кварки также одевают «шубу» из виртуальных -пар и глюонов.

В связи с отсутствием электрического заряда у виртуальных фотонов, их облако не будет вносить существенных изменений в характер распределения зарядов вокруг электрона. Иначе обстоит дело с электрон-позитронными парами. Они будут поляризоваться полем «родительского» электрона. В итоге виртуальные позитроны окажутся к нему ближе, а виртуальные электроны от него как бы отвёрнутыми. Таким образом «родительский» электрон как бы экранирован.

При определении электрического заряда «родительского» электрона по его взаимодействию с пробным положительным зарядом заряд данного электрона оказывается существенно больше заряда того электрона, который измерен экспериментально. Это объясняется тем, что при приближении пробного заряда к рассматриваемому электрону через электрон-позитронное облако всё больше его силовых линий будут замыкаться на «родительском» электроне. Рассчитанная экспериментально константа электромагнитного взаимодействия  ( ) наблюдается на расстояниях порядка .  Если бы можно было измерять заряд на существенно малых расстояниях, было бы обнаружено значительное увеличение электрического заряда, следовательно, и увеличение константы взаиодействия.

Экранировка электрического заряда в КЭД

Доказательство того, что электрон не является «голым», а на самом деле окружён облаком из виртуальных фотонов, позитронов и электронов, было получено “в прецизионных измерениях спектра атома водорода, выполненных У. Лэмбом, и магнитного момента электрона, осуществлённых М. Кашем в 1947 году”, за что этим двум американским учёным в 1955 году была присуждена Нобелевская премия.

Обменный характер цветового (сильного) взаимодействия

Теперь рассмотрим влияние виртуальных процессов на цветовой заряд кварка. Однако, здесь следует учитывать не только обмен глюонами между кварками, но и обмен одними глюонами между другими глюонами. Если первый случай также, как и в случае электромагнитного взаимодействия, приводит к эффекту экранировки цветового заряда, то второй случай за счёт рождения виртуальных глюонов приводит к обратному  эффекту – атиэкранировки.

Диаграммы: а) обмена глюоном между кваркими б) чисто глюонного процесса обмена

Диаграмма экранировки цветового заряда

Диаграмма  антиэкранировки цветового заряда

Считается, что именно за счёт этого происходит ослабление цветовых зарядов двух кварков при их сближении и, следовательно, ослабление силы их цветового взаимодействия. В пределе очень малых расстояний взаимодействие кварков друг с другом замечено не было. Можно сказать, что в данном случае они ведут себя подобно свободным частицам.

В КХД возникновение антиэкранировки объясняется только тем, что процесс взаимодействия двух кварков со сменой их цветовых зарядов (  или ) происходит с вынесением обменным глюоном последних во внешнюю область. Сам глюон может либо поглотиться кварком, либо генерировать процессы, удерживающие цветовой заряд кварка вдали от него.

Благодаря процессам экранировки глюоны как бы «размывают» цветовой заряд кварка по окружающей его области пространства, причём  так, что в любой сфере, окружающий кварк, его цветовой заряд  уменьшается с уменьшением её радиуса.

При проникновении пробного цветового заряда кварка сквозь облако виртуальных глюонов и -пар к «родительскому» кварку и достижении сферы всё меньшего и меньшего радиуса с всё меньшим цветовым зарядом внутри, сила их цветового  взаимодействия рассматриваемых кварков будет с каждым разом ослабевать. При удалении наоборот – возрастать. Именно этим объясняется невылетание кварков из адронов (явление конфайнмента кварков).

Антиэкранировка цветового заряда

Уменьшение силы межкваркового взаимодействия с уменьшением расстояния между двумя кварками с увеличением их энергий эквивалентно уменьшению константы сильного взаимодействия .

Таб. № 10

Фундаментальные взаимодействия

Тип взаимодействия	Механизм обмена	Теория	Интенсивность	Радиус взаимодействия r, м
Сильное	Глюонами	КХД
Электромагнитное	Фотонами	КЭД, ЭСМ
Слабое	Промежуточными бозонами	ЭСМ
Гравитационое	Гравитонами

Приведённое в таблице № 10 значение  для электромагнитного взаимодействия отвечает энергии кварков в . При увеличении их энергия до  константа  уменьшается почти в 10 раз ( ). При таких значениях   можно использовать теорию возмущений.

Теория КХД считается теорией неабелевых калибровочных полей, т. е. таких полей, которые несут в себе заряд того источника, которым оно создаётся. А их важным свойством является асимптотическая свобода. Впервые теория неабелевых полей была разработана китайским физиком, Дж. Янгом, совместно с американским физиком, Р. Милллсом, в 1954 году.

Теория неабелевых полей применима также к слабым и гравитационным взаимодействиям. “Электромагнитное  поле является абелевым, т. е. не несёт в себе заряда того источника, которым оно генерируется”. В силу безмассовости фотона и выполнении закона сохранения электрического заряда электромагнитное взаимодействие описывается в рамках группы симметрии , где символ 1 означает, что фотон не может осуществлять взаимодействие с частицами разного типа и превращать частицы из одного типа в другой. Силы электромагнитного взаимодействия не меняют природу частиц.