Этой статьёй мы открываем цикл, посвящённый главным проблемам и понятиям современной теоретической физики. Пожалуй, в физике элементарных частиц (которую ещё часто называют физикой высоких энергий) две самые амбициозные и важные на сегодняшний день задачи — доказательство цветового конфайнмента и квантование гравитации.
Согласно современным представлениям, нейтроны и протоны, из которых состоят ядра всех известных нам атомов, не являются элементарными частицами, а состоят из ещё более фундаментальных кирпичиков — кварков и склеивающих их глюонов. При этом, судя по всему, на низких энергиях (читай, на таких, для достижения которых не надо строить ускоритель длиной 29 км) ни кварки, ни глюоны в свободном виде не встречаются, будучи всегда связаны в комбинации вроде вышеупомянутых нейтронов и протонов. Это феномен и называется конфайнментом.
Несмотря на то, что свободные кварки и глюоны никогда не были задетектированы напрямую, почти ни у кого уже нет особых сомнений в справедливости постулирующей их существование модели, квантовой хромодинамики (КХД). Причина проста: данная теория позволила предсказать массы огромного числа частиц, получающихся из всевозможных комбинаций кварков: мезонов (пара кварк-антикварк) и барионов (три кварка).
В то же время, строго доказательства или хотя бы удовлетворяющего физиков "объяснения на пальцах" почему свободные кварки и глюоны не встречаются, пока не найдено.
Сделаем небольшое отступление и поясним, что подразумевается под “высокими” и “низкими” энергиями. Согласно известной формуле, благодаря наличию массы, покоящаяся частица уже сама по себе обладает энергией
E0 = mc2 .
Если же ей дополнительно придать импульс p, то энергия будет находиться из формулы
E2 = m2c4 + p2c2 .
Для простоты все расчёты обычно выполняются в системе единиц, в которой все скорости измеряются по отношению к скорости света, а сама скорость света, таким образом, становится равной единице. Но поскольку c = 1, мы можем считать отныне, что и массы, и энергии измеряются в одних и тех же величинах.
Чтобы выбить электрон из молекулы водорода, потребуется энергия около 10 электронвольт. Поскольку такое явление сплошь и рядом происходит в химических реакциях, энергии порядка нескольких десятков электронвольт вполне можно называть низкими, т.к. для их достижения не требуется постройки каких-то специальных ускорителей.
Масса электрона (или, что то же самое, энергия покоящегося электрона) — около 500 000 электронвольт. Масса протона приблизительно в 2000 раз больше массы электрона и уже на 7-8 порядков превышает энергию типичной химической реакции. Такие энергии уже считаются высокими. Кстати, чтобы в результате столкновения электронных пучков родилась парочка частиц массы порядка протона, разогнать электроны придётся до где-то 0.9999998 скорости света.
Необычность КХД заключается, в частности, в том, что с её помощью мы легко можем получить предсказания для довольно изощрённых (высокоэнергетических) экспериментов, именно так и были получены многочисленные подтверждения её правильности. Нам приходится строить огромные ускорители и сталкивать в них частицы с колоссальными энергиями, чтобы осуществить такие эксперименты, которые мы можем обсчитать. А вот понять, как устроены протоны или нейтроны на низких энергиях, нам пока как следует не удаётся.
Вообще, существование различных фаз материи, описываемой одними и теми же фундаментальными уравнениями, это довольно типичная ситуация. Наиболее знакомый для нас пример — агрегатные состояния веществ. Лёд, вода и пар состоят из одних и тех же молекул, но глядя на уравнения, описывающие межмолекулярные взаимодействия, вряд ли кто-то смог бы угадать, что при определённых условиях (температура, давление) описываемая среда начинает выглядеть кардинально иным образом.
Примерно то же самое происходит и в случае с КХД. Наличие исходных уравнений и возможность их решать в каком-то одном диапазоне параметров слабо помогает понять, что происходит при других значениях параметров.
Резюмируем прогресс в области изучения КХД:
1. У нас есть стартовая точка — квантовая хромодинамика, КХД. Мы можем написать непротиворечивую систему уравнений, которую в идеале хочется научиться решать. Или хотя бы научиться качественно показывать, почему из этой системы следуют наблюдаемые свойства частиц (их стабильность и нежелание разваливаться на составляющие на низких энергиях).
2. Численно конфайнмент подтверждён — компьютерное моделирование свидетельствует о том, что КХД и в самом деле хорошо описывает частицы, предположительно состоящие из кварков и глюонов.
3. Аналитически конфайнмент доказан для случаев более изощрённых и специфических, чем реальный мир (но более удобных с математической точки зрения).
Если на секунду отвлечься от КХД и сказать пару слов о состоянии физики элементарных частиц в целом, то следует признать, что наука эта находится если не в некотором тупике, то, как минимум, на распутье. Все частицы, необходимость существования которых ни у кого не вызывала сомнений (т.е. входящие в так называемую Стандартную Модель), уже обнаружены, и последней из них, как известно, стал не так недавно обнаруженный бозон Хиггса. Найдём ли мы что-то ещё (и если да, то что) — вопрос открытый как для экспериментаторов, так и для теоретиков. Последние самозабвенно строят всевозможные модели дальнейшего развития событий, благо ни подтвердить, ни опровергнуть их в ближайшее время, скорее всего, не удастся. По мере усложнения этих моделей теоретическая физика всё больше приближается к математике, являясь для последней важным источником вдохновения.
Возвращаясь к КХД, отметим, что основные усилия в этой области направлены на попытки понять на примере более сложных или, наоборот, простых моделей, как устроено сильное взаимодействие фундаментальных частиц, благодаря которому и происходит конфайнмент. В дальнейших обзорах мы поговорим о таких областях, как суперсимметрия, теория струн, AdS/CFT. Их актуальность во многом обусловлена возможным применением к пониманию конфайнмента. Отдельно стоит упомянуть численную версию КХД (Lattice QCD), которая, как уже упоминалось, на данный момент является единственным существующим доказательством конфаймента.
В следующем посте из данного цикла поговорим о квантовании гравитации, с этим делом всё обстоит куда сложнее.
Ссылки на тему:
