«Странности» кварков и глюонов

 Экспериментальными методами, позволяющими заглянуть внутрь протонов и нейтронов (а также внутрь других адронов), было замечено, что помимо трёх основных кварков, входящих в их состав, в них рождаются дополнительные пары кварков и их антикварков, которые почти сразу же исчезают. Аналогично вели себя и фонтомы – возникающие и сразу же пропадающие глюоны, создающие так называемую «квантовую пену», непрерывно меняющую ландшафт внутри этих адронов. Эта ситуация усложняет решение ряда фундаментальных вопросов таких, как: «Как именно глюоны удерживают кварки в стабильных состояниях?», «Каким образом кварки и глюоны могут объяснить массу и спин своей родительской частицы?», «Существуют ли экзотические состояния материи?», «Как выглядела ранняя Вселенная?».

Описание проблемы, касающейся первого вопроса, было изложено при рассмотрении сильного взаимодействия (см. во вкладке «Классификация частиц»). Поэтому сразу перейдём к остальным указанным вопросам.

Проблемы в определении массы и спина протона

Известно, что кварки и лептоны имеют массу благодаря взаимодействию с полем Хиггса, которое пронизывает всё пространство. Часто говорят, что механизм Хиггса служит причиной возникновения массы в наблюдаемой Вселенной. Однако, это утверждение, не соответствует действительности.

В массу протона (а также нейтрона) кварки вносят всего . Предполагается, что остальные  возникают из-за воздействия глюонов. Но, каким образом глюоны способствуют возникновению массы у элементарных частиц, если сами они массы не имеют, остаётся вопросом.

Если попытаться решить данную задачу с помощь знаменитого уравнения Эйнштейна , то получим, что масса покоя протона    возникает благодаря энергии, выраженной в единицах света. Поскольку основной вклад в его энергию вносят глюоны, остаётся вычислить лишь её. Но здесь возникают трудности, так необходима бо́льшая ясность в том, как именно глюоны «склеивают» кварки.

Эксперименты по изучению спина протона показывают, что в него вклад кварков составляет всего около . Предполагалось, что остальная часть спина приходится на глюоны. Но эксперименты по бомбардировке поляризованными протонами других поляризованных протонов показали, что спин глюонов составляет всего лишь   от спина протона. И пока остаётся не известным, где прячутся ещё  спина.

Экзотические состояния материи

Помимо всем известных адронных состояний КХД допускает существование необычных комбинаций кварков и глюонов. Одной из них является «глюбол» – частица, состоящая только из одних глюонов. Также возможны такие «гибридные» состояния частиц, как «кварк-антикварк-глюон» или «тетракварки» – частицы, в составе которых два кварка связаны с двумя атикварками. Экспериментальные доказательства существования этих адронов пока ограничены, но уже были обнаружены кандидаты на молекулу тетракварка.

Экзотические адроны: a) глюбол b)  c) тетракварк

 

Насыщенные состояния Теоретически считается, что при ускорении протонов и нейтронов до релятивистских скоростей их энергия возрастает, а находящиеся в них глюоны начинают множиться, т. е. расщепляться на дочерние пары, энергий каждой из которых слегка меньше, чем у родительской. В свою очередь, эти новые глюоны также порождают свои дочерние глюоны с ещё немного меньшей энергией. Этот процесс длится до тех пор, пока глюоны не достигнут своей «максимальной наследственности», т. е. предела, при котором протон уже больше не сможет вмещать в себя всё новые и новые глюоны. Такое состояние протона получило название «конденсат цветного стекла». Веские признаки похожего состояния уже были получены на ускорителях элементарных частиц, но убедительного подтверждения его существования до сих пор найдено ещё не было. Процесс образования конденсата цветного стекла

 Кварк-глюонная плазма и ранняя Вселенная

Недавно учёными (в Брукхейвенской национальной лаборатории на Релятивитском коллайдере тяжёлых ионов и в CERN на Большом адронном коллайдере) было открыто новое состояние вещества, получившее название кварк-глюонная плазма, которая образуется при столкновении атомных ядер со скоростями, близкими к скорости света. Теоретически предполагается, что при таких столкновениях происходит разрушение конденсатов цветного стекла, и образуется бешеный рой кварков и глюонов – плазма, температура которой которой больше чем триллион градусов Цельсия. Это самая горячая материя, которая когда-либо была создана на Земле. Поразительным в ней было то, что она способна течь, почти не испытывая сопротивления (По оценкам её сопротивление в 20 раз меньше, чем у воды).

Наблюдая за процессом остывания кварк-глюоной плазмы, учёные могут изучать цветовое удержание в обратной последовательности, открывая секреты того, как на самом деле склеиваются друг с другом кварки и глюоны. Также учёные могут узнать о том, какой была наша Вселенная на самом раннем этапе её развития, когда она была максимально горячей и в последующие моменты её остывания.

Кварк-глюонная плазма и ранняя Вселенная (в представлении художника)

Смотрите также...

Салеев В. А., Кварк-глюонная плазма – новое состояние вещества [Текст] / В. А. Салеев // Соровский образовательный журнал. – 2000. – Том 6, №5. – С. 64-70. Дрёмин И. М., Кварк-глюонная среда [Текст] / И. М. Дрёмин, А. В. Леонидов // Успехи физических наук. – 2010. – Том 180, №11. – С. 1167-1196. Лескова Н., Вначале были кварки [Текст] / Н. Лескова // В мире науки [03]. – 2017.  – С. 4-9.

Видеоматерьялы «NICA — Вселенная в лаборатории» (для школьников и не только)