СОВРЕМЕННОЕ СОСТОЯНИЕ ПРОБЛЕМЫ СТРУКТУРЫ ЭЛЕМЕНТАРНЫХ ЧАСТИЦ

 

В. С. Барашенков

Проблема структуры материальных объектов, которые в современном эксперименте проявляются как простейшие, представляет собой одну из наиболее интересных и в то же время одну из наиболее трудных проблем современной науки. Эта проблема расположена на пересечении таких важнейших вопросов современной физики и философии, как соотношение простого и сложного, непрерывность и дискретность микроскопического пространства— времени, вопрос о возможности «вневременных» и «внепространственных» форм существования материи и т. д. Без преувеличения можно сказать, что в проблеме структуры микрообъектов рельефно сфокусированы все основные трудности и противоречия современной теории элементарных частиц.

 

Исследование философских аспектов проблемы структуры материальных объектов началось еще много веков тому назад. При этом многие авторы подчеркивали, что в природе не может быть абсолютно элементарных объектов, поскольку такие объекты не могли бы претерпевать никаких изменений и поэтому оставались бы совершенно необнаружимыми — свойство, которое представляется весьма невероятным. Однако другим исследователям, и в первую очередь многим физикам, подобные соображения не казались убедительными, так как можно было допустить существование сразу нескольких сортов неизменных по своим внутренним свойствам элементарных объектов (простейших «кирпичиков»), каждый из которых, тем не менее, отличался бы от других. Взаимопревращения таких объектов были бы обнаружимы. Кроме того, отличие свойств элементарных объектов от свойств образованных из них сложных систем давало бы возможность фиксировать их относительное движение.

 

Нетрудно видеть, что допущение подобных элементарных объектов не противоречит и известному положению В. И. Ленина о «неисчерпаемости», если эту неисчерпаемость понимать не в смысле неограниченного аддитивного деления, а в смысле наличия у каждого элементарного объекта неисчерпаемого количества внутренне неизменных свойств.

 

Элементарная частица при таком подходе ассоциируется с безразмерной материальной точкой, наделенной неисчерпаемым количеством характеризующих ее признаков: массой, зарядом, спином и т. д. Правда, при этом возникает трудная проблема неограниченного числа элементарных частиц: так как наряду с частицей, обладающей некоторым определенным признаком, можно допустить существование частицы, не имеющей данного признака, то число различных элементарных частиц становится, вообще говоря, необозримо большим. Хотя трудно примириться с мыслью о равной степени элементарности очень большого числа каких-либо объектов, тем не менее эта проблема остается не решенной пока и в современной, более совершенной картине строения вещества (подробнее см. [1]).

 

Представления о бесструктурных элементарных частицах, частицах-точках, были широко распространены еще совсем недавно, 10—15 лет тому назад, несмотря на то, что созданная сразу же вслед за матричной механикой квантовая теория волновых полей позволяла, во всяком случае — качественно, рассчитать форму и плотность распределения вещества внутри частицы. Весьма характерными в этом отношении являются утверждения Л. Д. Ландау и Е. М. Лившица: «Под элементарными частицами подразумевают частицы, которые во всех физических явлениях принимают участие как целое, т. е. не имеет смысла говорить об их частях»; и далее, «очевидно, что если элементарная частица обладала бы конечными размерами, то она не должна была бы быть деформируемой, так как понятие доформации связано с возможностью независимого движения отдельных частей тела... Мы приходим, таким образом, к весьма существенному результату, что элементарные частицы не могут иметь конечных размеров, а должны рассматриваться как геометрические точки» [2, стр. 34].

 

Образ пространственно-структурной и в то же время элементарной по своим свойствам частицы был осознан физиками далеко не сразу. Решающий перелом здесь произошел лишь в 50-х гг., после того, как Р. Хофштадтер экспериментально доказал наличие в протоне электромагнитного облака с размерами г~\0~13см.

 

В настоящее время известно, что не только нуклоны, но и все другие частицы, в том числе и такие, казалось бы, «бестелесные», как нейтрино и фотон,— все имеют сложную внутреннюю структуру. Структура, обусловленная сильными ядерными взаимодействиями, характеризуется размером r~10-13 см, т. е. размером порядка комптоновской длины волны наилегчайшей ядерной частицы— я-мезона. Кроме этого, вокруг частицы существует облако электронно-позитронных пар с характерным размером r~h/2mec, приблизительно в 150 раз большим размера мезонного облака; однако благодаря слабости электромагнитных взаимодействий (отношение электромагнитной и ядерной постоянных связи e2/g2c~ ^5-10-4) плотность этого облака совершенно ничтожная заметным образом проявляется лишь при весьма спецш фических условиях, например в процессах рассеяния на очень малые углы 0 ~0.

 

В ультрамалых областях г~ (10_16-4-10~17) см следует ожидать существенного вклада слабых взаимодействий, которые на этих расстояниях происходят с неменьшей вероятностью, чем сильные ядерные взаимодействия. Элементарные частицы представляются нам сейчас чрезвычайно сложными образованиями, структура которых весьма прихотливым образом зависит от интерференции облаков различных виртуальных частиц. В центральных областях структура является значительно более плотной, чем на периферии 1. В этом смысле можно ска зать, что элементарная частйца состоит из плотного керна и рыхлой периферической оболочки. Вместе с тем в отличие, например, от атома водорода, где центральное ядро и электронная оболочка четко разделены и различаются по своим размерам на пять порядков, между керном и периферией элементарной частицы нет резкой границы. (В этом проявляется некоторая общая закономерность: чем меньше расстояния мы рассматриваем, тем более «перемешанными» и трудно разделимыми в пространственном отношении становятся отдельные детали структуры.)

 

Правда, экспериментально такая картина в настоящее время обоснована только для нуклона, для других частиц она является, строго говоря, всего лишь экстраполяцией нуклонных экспериментальных данных, хорошо согласующейся, однако, с предсказаниями различных квантово-полевых моделей.

Сведения о структуре нуклонов сейчас получают в основном из анализа экспериментальных электромагнитных форм-факторов. Однако таким образом удается, в сущности, определить лишь значения среднеквадратичных радиусов, получить сведения о распределениях электрического заряда и магнитного момента на далекой периферии, качественно установить факт возрастания плотности их распределения при переходе к центральной области нуклона и оценить вклад различных резонансных взаимодействий в структуру нуклона. Более детальная физическая интерпретация экспериментальных форм-факторов встречает непреодолимые пока трудности, обусловленные тем, что только в нерелятивистском пределе, т. е. при малых значениях передаваемого импульса q, соответственно — только в области далекой периферии r~h/q> 10~13 см, форм-факторы F (q) просто связаны с пространственной плотностью р(г). При меньших значениях г пространственная интерпретация форм-факторов остается пока неясной.

 

Чтобы понять, в чем здесь дело, прежде всего заметим, что так же, как и любая другая наблюдаемая величина в квантовой теории, плотность распределения заряда, массы или плотность какой-либо другой величи ны I, характеризующей внутреннюю структуру изучаемой частицы, определяется как среднее значение квантового оператора £ (х):

 

Рб(*) = <Ч>гё(*)И>>.   (О

 

где |ф> —волновая функция состояния частицы, <ф\—сопряженная ей функция.

 

Соответствующий форм-фактор, описывающий структуру частицы на языке импульсных переменных, связан с плотностью (х) интегральным соотношением

 

+00

 

Рб(*)= $ h (я) eiqx(Pq- (2)

 

—00

 

Это соотношение является определением этого формфактора.

 

С другой стороны, величины, определяемые из опытов с рассеянием, в том числе и форм-факторы, зависят от произведения различных волновых функций <фКон| и I фнач), описывающих состояние изучаемой частицы (частицы-мишени) до и после взаимодействия. При рассеянии частиц с энергией, намного меньшей массы мишени, отдача последней мала (мал передаваемый импульс q) и эффектами ее релятивистского сжатия можно пренебречь; геометрическая форма частицы-мишени при этом не изменяется, и конечная волновая функция не отличается от начальной. Поэтому по формуле (2) с помощью форм-фактора F(q), определенного из опыта с рассеянием, можно было бы надеяться вычислить распределение плотности р(х).

 

К сожалению, для этого требуется знать величину F(q) не только при малых, но и при 'больших значениях q, когда частица-мишень становится релятивистской. В последнем же случае уже нельзя пренебречь релятивистским сжатием ее размеров и волновые функции <Фкон| <фнач| оказываются существенно различными, поэтому определенный из опыта форм-фактор F(q) представляет собой результат сложной суперпозиции начального и конечного состояний и его нельзя интерпретировать как изображение функции плотности на языке импульсных переменных. Экспериментальный форм-фактор, определяемый из измеряемого на опыте сечения рассеяния, и форм-фактор в формуле (2) являются в этом случае совершенно различными величинами. Более того, вследствие релятивистской инвариантности экспериментальный форм-фактор оказывается зависящим не только от трехмерного вектора q, но и от его четвертой компоненты q0j поэтому формально вычисленная с помощью этого форм-фактора плотность р оказывается зависящей не только от пространственных, но и от временной переменной:

 

-j-со

 

р(х, 0=5 F(q)^4x-i4<‘td% F(q)=F(q, q0).               (3)

 

—00

 

Зависимость от времени исчезает лишь в специальной системе координат — в системе центра масс, где всегда q0 = 0.

 

Если основная часть структуры изучаемой системы простирается в область масштабов Дя, больших ее комп-тоновской длины волны h/Mc, где отдача не важна, то вклад очень больших значений q в интегралы (2) и (3) оказывается несущественным (при этом также qo ^ 0) и физический смысл форм-фактора F (q), определенного из опытов с рассеянием, совершенно ясен.

 

Именно таково положение, например, при исследовании плотности электронных оболочек, атомов, характерный размер которых Лл;^10-8 см, а комптоновская длина волны даже самого легкого атома — атома водорода в миллион раз меньше.

 

Иная ситуация имеет место при исследовании структуры нуклона, где размер облака виртуальных я-мезонов сравнительно мал, всего лишь в семь раз превосходит комптоновскую длину волны нуклона. Физическая интерпретация экспериментальных форм-факторов в этом и в других подобных случаях становится не

 

ясной. Формально вычисленную функцию р (л;) лишь на периферии, при х^1(Н3 см, можно приближенно рассматривать как физическую плотность.

 

Существенно подчеркнуть, что отсюда тем не менее еще нельзя заключить о непригодности пространственновременных представлений в области г^ 10-13 см. В частности, оптический анализ упругого рассеяния высокоэнергетических частиц дает значение вероятности поглощения налетающей частицы веществом частицы-мишени, непосредственно зависящее от пространственной координаты г k = k(r) [3]. Хотя детальная связь определя емой из опыта функции k(r) с плотностью распределения вещества при г<НН3 см также остается еще не ясной, координата г сохраняет здесь свой обычный физический смысл. При достаточно высокой точности измерений изучение экспериментальной функции k (/*) позволяет фиксировать неоднородности пространственной структуры взаимодействующих частиц Лл:—к, где ^—дебройлев-ская длина волны относительного движения этих частиц. (Напомним, что при достигаемой на современных ускорителях энергии   Гэв длина волны к приблизитель-

 

но на порядок меньше средних геометрических размеров нуклона.)

 

Наиболее неясной остается сейчас область керна. Хотя современные ускорители в принципе дают возможность «прощупать» структурные детали вплоть до расстояний Длг~5-10-15 см, строение центральных областей нуклона по-прежнему остается для нас загадочным белым пятном. Даже само понятие керна определяется сейчас весьма неоднозначно.

 

Очень часто керном называют область, где становятся существенными многомезонные взаимодействия. Размеры такой области составляют что-то около 0,5-10-13 см.

 

Иногда керном называют ту часть нуклона, которая ответственна за основные его свойства — его спин, барионное число, гиперзаряд. Радиус такого керна по поряд ку величины, по-видимому, близок к комнтоновской длине волны нуклона к/Мс^2 -10-14 см, и поэтому этот керн может быть сопоставлен облаку тяжелых виртуальных частиц. В частности, процесс нуклон-нуклонной аннигиляции происходит при соприкосновении именно таких центральных частей нуклона и антинуклона. На рис. 1 область аннигиляции соответствует расстояниям ган < ^5*10-14 см, где /поглощение антипротонов резко возрастает; в этой области коэффициент р—р поглощения намного превосходит коэффициент р—р поглощения. Если считать, что размеры кернов в нуклоне и антинуклоне приблизительно одинаковы, то Г керн Г ан /2 — ^ (2-^-3) • 10“14 СМ.

 

Столкновение относительно массивных кернов частиц сопровождается значительным энерговыделением, рождением большого числа вторичных частиц. Наоборот, при столкновении периферических областей частиц или при столкновении керн — периферия выделяется существенно меньшее количество энергии и, следовательно, рождается меньшее число вторичных частиц; в этом случае керны первичных сталкивающихся частиц испытывают сравнительно небольшую отдачу и незначительно изменяют направление своего движения. Соответственно двум таким типам столкновений в эксперименте -наблюдаются два типа существенно различных по своим свойствам неупругих взаимодействий: один тип характеризуется значительно большей множественностью рождающихся частиц и относительно большей изотропией их вылета, чем другой тип; величина импульса, передаваемого бариону в первом случае, отказывается намного большей, чем во втором [4].

 

Понятно, что поскольку между керном и периферией нет резко выделенной границы, то разделение неупругих взаимодействий на два различных типа также является весьма условным: всегда можно указать некоторое количество событий, которые по их свойствам можно отнести как к одному, так и к другому типу взаимодействий.

 

Теперь, прежде чем перейти к обсуждению различных теоретических подходов к исследованию структуры частиц, отметим некоторые важные тенденции /развития физики элементарных частиц, оказывающие все более сильное влияние на формирование наших представлений о строении частиц и на методы его исследования. Обзор развития наших представлений о строении вещества и анализ быстро нарастающего потока новых экспериментальных данных о характере микроскопических явлений приводят к важному выводу о том, что по мере дальнейшего углубления в область малых пространственно-временных масштабов все более отчетливо проступают две дополняющие друг друга тенденции: с одной стороны, для описания простейших физических объектов, с которыми мы имеем дело, приходится использовать образы все большей и большей информативной емкости, с другой стороны — возрастает роль случайного фактора и развертывающаяся перед нами физическая ка.ртина все дальше и дальше отходит от призрачных линий лапласовского детерминизма в сторону сложных вероятностных построений. Эти тенденции органически связаны между собой, так как вероятностный элемент проявляется как мера, характеризующая множества значений новых степеней свободы, возникающих по мере открытия все большей информативной емкости рассматриваемых физических объектов.

 

Как с онтологической, так и с гносеологической точек зрения две указанные тенденции весьма точно отражают общий характер развития современной физики элементарных частиц2.

 

Поэтому едва ли можно надеяться на успех предпринимаемых некоторыми авторами попыток свести вероятностное содержание современной физики элементарных частиц к каким-то более глубоким лапласовски детерминированным законам (к так называемым «динамическим законам», по терминологии Я. П. Терлецкого). Так, совершенно необоснованными представляются следующие утверждения Я. П. Терлецкого: «Характеризуя элементарные физические законы, мы прежде всего можем утверждать, что они являются законами динамического типа. Действительно, элементарные законы, по самой своей сути, должны отражать все движение полностью и не могут содержать в себе неизвестных, случайных элементов, так как введение последних означает допущение других, неизвестных, еще более элементарных законов, управляющих этими элементами (если не становиться на точку зрения нематериальности этих элементов)... Оставляя примат за динамическими законами, мы допускаем, что за всяким последним, известным нам законом, имеющим статистический характер, скрывается более элементарный закон динамического характера» [6, стр. 20]. Эти утверждения являются всего лишь произвольной декларацией.

 

Конечно, почти никогда нельзя «математически строго» доказать бесперспективность какого-либо направления. Однако в науке засчитывается лишь то, что позволяет предсказывать новое. И не случайно поиски «элементарных динамических законов» до сих пор не дали ни одного, буквально ни одного, предсказания, которое было бы подтверждено экспериментом и в то же время не содержалось бы в общепринятой квантовой теории.

 

Существенно подчеркнуть, что структура элементарных частиц имеет сугубо статистический, вероятностный характер.

Непрерывное увеличение информационной емкости образов, сопоставляемых элементарным физическим объектам, многогранность и сложность процессов, в которых они участвуют, оставляют довольно мало надежд на то, что физику пионов, нуклонов и странных частиц удастся сформулировать — во всяком случае, в ближайшие годы — в виде какой-то единой замкнутой системы уравнений, подобной, например, системе уравнений Максвелла или уравнениям Ньютона. Все чаще высказывается мнение, что такое решение вопроса, по-видимому, является недостижимым идеалом.

 

Сейчас все большее значение приобретают ограниченные подходы, в рамках которых создаются более или менее адекватные математические описания отдельных сторон сложных физических явлений. Примером может служить, в частности, полюсная теория структуры нуклона или SU (3)- и S(/ (6) - симметричные теории расщепления масс и форм-факторов элементарных частиц. Развитие физики элементарных частиц и в особенности изучение явлений, связанных с их внутренним строением, идет сейчас в основном именно по такому пути. И если раньше фи зическое явление считалось понятым, когда удавалось составить уравнения, которые описывали и позволяли предсказывать это явление, то теперь понять явление все чаще означает уметь построить достаточно точную, в общем случае вероятностную модель этого явления, которая, как и уравнения, давала бы возможность предсказывать его изменения в зависимости от изменения окружающей обстановки; уравнения при этом остаются лишь для описания отдельных деталей рассматриваемого явления3.

 

Типичным в этом отношении является применение метода Монте-Карло — метода статистических испытаний, воспроизводящего реальный процесс выбора между возможными путями развития явления, подобно тому как это каждый раз происходит в природе. Метод Монте-Карло непосредственно моделирует ход реальных процессов и по сравнению с другими известными нам сейчас методами расчета наиболее адекватно отражает то, что действительно реализуется в природе. Достаточно детально разработать модельный монте-карловский алгоритм— это и означает в данном случае создать достаточно точную теорию явления. Следует ожидать, что ввиду его большой общности такой подход станет в дальнейшем одним из основных методов теоретического изучения окружающего нас мира и в значительной степени определит вид будущей физической теории.

 

Все более широкое применение метода моделей является еще одной важной тенденцией в развитии физики элементарных частиц. Особенно ярко эта тенденция проявляется при изучении структуры частиц. Подобно теории атомного ядра, этот раздел физики представляет сейчас набор различных, частично перекрывающихся друг с другом моделей, каждая из которых отражает, в основном, лишь какой-либо один аспект явления. Более того, для описания структуры элементарных частиц в последнее время все чаще стали привлекаться нерелятй-вистские квантовомехайические модели, оправдавшие себя при рассмотрении атомного ядра (см. ниже).

Как уже отмечалось выше, описание структуры элементарных частиц на языке экспериментальных формфакторов встречает существенные трудности при попытках перехода на привычный нам пространственно-временной язык. Однако трудности возникают и в том случае, если остаться в рамках форм-факторного описания, но попытаться сделать хотя бы небольшое уточнение теории, так как это сразу же приводит к резкому увеличению числа необходимых форм-факторов. Так, например, при учете следующего, двухфотонного, приближения к сечению рассеяния электрона на протоне, из анализа которого сейчас в основном и определяются значения формфакторов протона, число таких различных форм-факторов возрастает до двух десятков. Определить из опыта и оперировать с таким большим числом величин становится практически почти невозможно, тем более что различным процессам взаимодействия присущи свои специфические форм-факторы. Все это приводит к необходимости найти какой-то иной, более удобный способ описания структуры элементарных частиц.

 

Из формулы (1) видно, что распределение плотности некоторой величины £, характеризующей структуру частицы, вполне однозначно определяется заданием ее функционала |ф>. Поэтому задачу пространственновременного описания внутреннего строения элементарной частицы можно заменить задачей определения ее функционала. Такой функционал можно рассматривать как сумму слагаемых, одно из которых описывает «голый остов» частицы, а другие определяют вклады отдельных компонент облака виртуальных частиц, существующего вокруг этого «остова».

облако, образованное одним виртуальным я-мезоном, и т. д. Можно надеяться, что для описания не слишком глубоких слоев структуры потребуется сравнительно небольшое число амплитуд фп.

 

Так как амплитуды срп входят в выражения различных наблюдаемых величин — в теоретические выражения для магнитных моментов частиц, в сечении различных процессов и т. д.,— то эти амплитуды, в принципе, можно было бы определить из непосредственного сравнения теоретических формул с опытом, подобно тому как это сейчас делается для форм-факторов F(q). К сожалению, ь общем случае такая программа является слишком сложной, так как при этом оказывается необходимым одновременно учитывать функционалы сразу нескольких частиц и амплитуды некоторых процессов рассеяния. Это видно, например, из диаграммы упругого е—N рассеяния, приведенной на рис. 2.

 

На современном этапе более оправданным и результативным подходом к определению функционалов элементарных частиц является построение различных моделей, параметры которых подбираются на основе каких-либо приближенных теоретических соображений или путем непосредственного сравнения с опытом. Впервые такой подход был подробно рассмотрен, по-видимому, Р. Саксом [7] и в последующем развивался рядом других авторов (см., например, [8]). Однако значительные успехи здесь были достигнуты лишь в последние годы в рамках так называемой резонансной полюсной модели нуклона, основанной на предположении, что основной вклад в структуру дают двух- и трехмезонные состояния, которые приближенно можно заменить одночастичными -состояниями с резононами г|, со, р, <р ит. д. (рис. 3). Так как массы этих резононов известны из других опытов, то неизвестными параметрами в этом случае являются лишь постоянные связи резононов с нуклоном /п, а также многомезонные постоянные Мр и Мп. .Подбирая соответствующим образом значения этих величин, удается удовлетворительно описать все известные в настоящее время экспериментальные данные по электромагнитной структуре протона и нейтрона4.

 

После того как определены все параметры, в рамках резонансной модели могут быть рассчитаны амплитуды фп и, следовательно, пространственные плотности распределений электрического заряда и магнитного момента в нуклоне р(я).

 

Можно построить более детальную модель, если принять во внимание ширину мезонных резонансов и учесть зависимость нуклон-резононных вертексов от величины передаваемого импульса (fn=fn (?)). Однако на уровне современных экспериментальных точностей такая детализация не дает пока ничего нового.

 

Резонансная полюсная модель представляет собой в настоящее время наиболее результативный и наиболее пригодный для конкретных численных расчетов подход к рассмотрению структуры нуклона.

 

Теоретиками сейчас интенсивно обеуждаются также различные модели «бутстрапа» (шнуровки), в основу которых положено допущение о том, что каждая элементарная частица состоит из всех других частиц, или, более точно, структура каждой элементарной частицы определяется взаимодействиями всех других частиц. Так, например, нуклон содержит внутри себя мезоны л, р, К и т. д., которые в свою очередь содержат пары N + N, N + А и т. д. Пока остается неясным, можно ли на основе этой идеи написать точную замкнутую систему уравне ний, которая имела бы решение, определяющее различные свойства, в том числе и структуру, всех элементарных частиц. Сейчас рассматриваются лишь очень грубые модели, учитывающие взаимосвязь всего только двух-трех сортов частиц, поэтому о количественном согласии с экспериментом говорить еще слишком рано, хотя в качественном отношении в ряде случаев получены весьма обнадеживающие результаты.

 

В связи со значительными успехами унитарной систематики элементарных частиц в последнее время большое внимание уделяется изучению моделей, в которых элементарные частицы рассматриваются составленными из кварков, барионы — из трех кварков, мезоны — из кварка и антикварка.

 

При чисто групповом подходе утверждение, что та или иная частица «состоит из кварков», имеет лишь тот смысл, что волновая функция этой частицы преобразуется как произведение нескольких простейших унитарных спиноров; кварковая структура частиц в этом случае имеет лишь символический смысл, независимо от того, существуют в природе кварки как реальные физические частицы или же нет.

 

Наряду с этим рассматриваются модели, в которых элементарные частицы представляются как связанные состояния реально существующих кварков. Такой подход приобретает особую простоту и наглядность, если допустить, что, несмотря на то, что дефект масс системы нескольких связанных кварков очень велик, намного больше масс образованных из них пиона или нуклона, сами кварки можно рассматривать как нерелятивистские частицы в некоторой потенциальной яме. Это допущение является следствием предположения о том, что силы, действующие между кварками, обусловлены обменом мезонами, комптоновская длина которых и определяет радиус потенциальной ямы R = h[mc (если обмен осуществляется я-мезонами, то              1(Н3 см, если же за обмен-

 

ные силы ответственны главным образом р-мезоны, то /?^0,25- 10-13 см, т. е. порядка размеров нуклонного керна). В соответствии с соотношением неопределенностей импульс кварка в такой яме порядка массы промежуточного мезона т: p~h/R = mc3 что намного меньше массы кварка М3 составляющей по теоретическим оценкам что-то около десятка Гэв\ поэтому релятивистскими эффек тами движения кварков в потенциальной яме можно пренебречь.

 

Глубина потенциальной ямы подбирается таким образом, чтобы низший энергетический уровень был равен массе пиона или нуклона. Возбужденные уровни сопоставляются мезонным и барионным резононам. Соответствующие пространственные распределения р(х) могут быть вычислены с помощью стандартных методов.

 

Для анализа кварковой структуры частиц сейчас широко применяются модели, разработанные ранее для описания структуры атомного ядра. Это обстоятельство является весьма характерной особенностью современного этапа исследования внутреннего строения элементарных частиц.

 

Следует ожидать, что изучение составных моделей элементарных частиц, основанных на гипотезе кварков, будет, по-видимому, одним из основных теоретических направлений в ближайшие годы.

Если гипотеза о существовании кварков подтвердится на опыте, то это приведет к радикальному изменению самого подхода ко всей физике элементарных частиц. В этом случае именно кварки, а не нуклоны, мезоны или какие-либо другие частицы будут рассматриваться как элементарные физические объекты, так как из частиц с дробными значениями квантовых чисел можно составить все другие известные нам сейчас частицы, кварки же из этих частиц построить принципиально невозможно.

 

Законы взаимодействий кварков должны иметь более простой и фундаментальный вид, чем законы, описывающие взаимодействия более сложных систем — мезонов и барионов. Если кварки, как это часто предполагается сейчас, взаимодействуют между собой сильнее, чем другие частицы, то законы взаимодействий нуклонов, мезонов и других известных нам частиц будут так же связаны с законами взаимодействий кварков, как, например, законы взаимодействий целых атомов и молекул связаны с более элементарными законами взаимодействий протонов и электронов. Если же кварки взаимодействуют приблизительно так же, как мезоны и барионы, то взаимодействия последних между собой снова будут более сложными, чем взаимодействия самих кварков, подобно тому как взаимодействия атомных ядер являются следующей ступенью по отношению к взаимодействию составляющих их нуклонов. В обоих случаях экспериментальное и теоретическое исследование взаимодействий кварков явится несравненно более фундаментальной задачей, чем анализ взаимодействий других сортов частиц; кварки будут представлять собой следующий, более глубокий уровень материи (в частности, роль «атома электричества» в этом случае будет играть уже не заряд электрона е, а заряд кварка е = е/3; заряды всех других частиц будут выражаться как целые, кратные е. То же можно сказать и о других квантовых числах).

 

Возможно, что именно такой «неэлементарностью» взаимодействий известных нам сейчас частиц и обусловлены наши затруднения на пути построения теории сильных взаимодействий.

 

Конечно, нельзя ожидать, что взаимодействия кварков будут «более классическими», чем взаимодействия других частиц; как это следует из всей совокупности экспериментальных данных, квантовый аспект явлений становится все более и более существенным по мере того, как мы углубляемся в недра вещества. Для описания структуры «сложных частиц» — нуклонов и мезонов — по-прежнему важное значение будут иметь приближенные модельные подходы. Их роль не уменьшится, а, наоборот, возрастет: упрощение законов будет достигнуто лишь на самом нижнем уровне — уровне кварковых явлений. В дальнейшем и эти явления окажутся слишком сложными и потребуют модельных подходов и т. д. — свойства материи неисчерпаемы. В частности, уже сейчас можно ожидать, что кварки, если они существуют, должны обладать сложной внутренней структурой. Если их взаимодействие — «сверхсильное», то эта структура будет обусловлена кварковыми взаимодействиями; если же кварки взаимодействуют «просто сильно», то в их структуру будут входить мезоны и барионы.

 

Как видно, хотя наши знания структуры элементарных частиц за последние годы и продвинулись далеко вперед, они, тем не менее, по-прежнему представляют собой пеструю мозаику .различных фактов, идей и предположений, еще далекую от того, чтобы сложиться в какую-то целостную картину. Теперь, после того, как было изучено большое количество моделей бутстрапа и различных вариантов релятивистских обобщений SU (3)- и SU (6)-симметрий, мы только начинаем по-настоящему осознавать, какие огромные трудности предстоит нам преодолеть на пути построения такой картины. Несомненно, что на этом пути нам еще не раз придется переосмыслить и существенно модернизировать многие физические и философские положения, кажущиеся сейчас совершенно незыблемыми.

 

Категория: Философия | Добавил: fantast (22.09.2019)
Просмотров: 24 | Рейтинг: 0.0/0