Рис. 82. Диаграмма, изображающая два кварка, которые обмениваются глюоном. Она на-столько похожа на диаграмму для двух электронов, обменивающихся фотоном, что вы можете подумать, что физики просто скопировали квантовую электродинамику, строя теорию «сильных взаимодействий», удерживающих кварки внутри протонов и нейтронов. Да, так оно и есть – почти.
У кварков имеется добавочный тип поляризации, не связанный с геометрией. Простаки-физики, не способные возвыситься до изобретения прекрасных греческих слов, назвали этот тип поляризации неудачным словом «цвет». Этот «цвет» не имеет никакого отношения к цвету в обычном смысле. В данный момент времени кварк может находиться в одном из трех состояний, или «цветов» – К, 3 или С (догадываетесь, что означают эти сокращения?). При поглощении или испускании глюонов «цвет» кварка может измениться. Глюоны бывают восьми различных сортов, в зависимости от того, какие «цвета» они связывают. Например, если красный кварк становится зеленым, он испускает красно-антизеленый глюон – глюон, который забирает у кварка красный цвет и дает зеленый («антизеленый» означает, что глюон переносит зеленый цвет в противоположном направлении). Такой глюон может быть поглощен зеленым кварком, который станет после этого красным (см. рис. 83). Имеются восемь различных глюонов, например, красно-антикрасный, красно-антисиний, красно-антизеленый и т. д. (вы могли бы подумать, что их должно быть девять, но по техническим причинам один отсутствует). Теория не слишком сложная. Общее правило гласит: глюон взаимодействует с тем, что имеет «цвет», – требуется лишь немного бухгалтерии, чтобы проследить, куда переносятся «цвета».
Это правило создает, однако, интересную возможность: глюоны могут взаимодействовать с другими глюонами (см. рис. 84). Например, зелено-антисиний глюон, встретившись с красно-антизеленым, превращается в красно-антисиний глюон. Глюонная теория очень проста – вы рисуете диаграмму и расставляете «цвета». Величины взаимодействий во всех диаграммах определяются глюонной константой связи g.
Формально глюонная теория не сильно отличается от квантовой электродинамики. Ну а как она соотносится с экспериментом? Например, как наблюдаемая величина магнитного момента протона соотносится с теоретической?
Рис. 83. Глюонная теория отличается от электродинамики тем, что глюоны взаимодействуют с «цветными» частицами (которые могут находиться в одном из трех возможных состояний – «красном», «зеленом» и «синем»). Здесь красный и-кварк пре-вращается в зеленый, испуская красно-антизеленый глюон, поглощаемый затем зеленым кварком, который превращается в красный. (Если «цвет» переносится вспять во времени, к его названию добавляется приставка «анти»).
Рис. 84. Поскольку глюоны сами «окрашены», они могут взаимодействовать друг с другом. На рисунке показано, как зелено-антисиний глюон взаимодействует с красно-антизеленым и получается красно-антисиний глюон. Глюонную теорию лег-ко понять – вы должны просто следить за «цветами».
Эксперименты очень точны – они показывают, что магнитный момент равен 2,79275. Теория же дает в лучшем случае 2,7±0,3 – если вы достаточно оптимистично оцениваете точность своих расчетов. То есть погрешность равна 10 %, что в 10 000 раз ниже точности эксперимента! У нас имеется простая, четкая теория, которая должна объяснять все свойства протонов и нейтронов, но мы не можем ничего посчитать при помощи этой теории, потому что математика слишком сложна для нас. (Вы можете догадаться, над чем я работаю, но у меня ничего не получается.) Причина, по которой мы ничего не можем посчитать с приличной точностью, заключается в том, что константа связи для глюонов gзначительно превосходит константу связи для электронов. Диаграммы с двумя, четырьмя и даже шестью взаимодействиями не просто маленькие поправки к основной амплитуде – они вносят существенный вклад, которым нельзя пренебречь. Поэтому получается так много стрелок для различных вариантов, что мы не можем упорядочить их разумным образом и найти, чему равна результирующая стрелка.
В книгах говорится, что наука проста: вы строите теорию, сравниваете ее с экспериментом, и если теория не работает, вы ее отбрасываете и строите новую теорию. Здесь у нас есть четкая теория и сотни экспериментов, но мы не можем их сравнить! В истории физики такого положения еще не бывало. Мы временно оказались взаперти и не можем выбраться, пока не придумаем метод вычисления. Нас «завалило» всеми этими стрелочками, как снежным сугробом.
Рис. 85. Когда нейтрон превращается в протон (этот процесс называется бета-распадом), единственное, что изменяется – это «аромат» одного из кварков, d-кварк превращается в w-кварк, что сопровождается вылетом электрона и антинейтрино. Такой процесс происходит довольно медленно, поэтому предположили, что существует промежуточная частица (названная промежуточным W-бозоном) с очень большой массой (порядка 80 000 МэВ) и зарядом –1.
Несмотря на сложности вычислений, мы качественно понимаем многое в квантовой хромодинамике (науке о сильных взаимодействиях кварков и глюонов). Наблюдаемые нами объекты, состоящие из кварков, «бесцветны»: группы из трех кварков содержат по одному кварку каждого «цвета», а кварк-антикварковые пары имеют одинаковую амплитуду быть красно-антикрасными, зелено-антизелеными или синеантисиними. Мы также понимаем, почему кварки никогда не образуются по отдельности – почему мы видим (какой бы ни была энергия протона, ударяющегося о ядро), что вылетают не отдельные кварки, а струи мезонов и барионов (кварк-антикварковых пар и групп из трех кварков).
Квантовая хромодинамика и квантовая электродинамика – это еще не вся физика. Согласно этим теориям кварк не может изменить «аромат»: u-кварк всегда остается u-кварком, d-кварк всегда остается d-кварком. Но Природа иногда поступает по-другому. Существует медленная форма радиоактивности, бета-распад (утечки такой радиоактивности боятся на ядерных реакторах), при которой нейтрон превращается в протон. Поскольку нейтрон состоит из двух d-кварков и одного и-кварка, а протон – из двух и-кварков и одного d-кварка, то один из d-кварков нейтрона превращается в и-кварк (см. рис. 85). Вот как это происходит: d-кварк излучает новую частицу, W-бозон, подобную фотону, которая взаимодействует с электроном и другой новой частицей, антинейтрино (нейтрино, движущимся вспять во времени). Нейтрино – это еще одна частица со спином ½ (как электрон и кварки), но оно не имеет массы и заряда (т. е. не взаимодействует с фотонами). Оно не взаимодействует также с глюонами, а только с W-бозонами (см. рис. 86).
