Akademik

(англ. colour confinement) - центральная гипотеза совр. теории сильных (ядерных) взаимодействий, основанной на квантовой хромодинамике (КХД). Согласно КХД, все адроны, т. е. мезоны и барионы, состоят из кварков и глюонов, характеризуемых квантовым числом цвет. Однако ни в природе, ни в экспериментах при высоких энергиях кварки и глюоны в свободном виде не обнаружены. Гипотеза У. ц. состоит в том, что эти частицы могут существовать только в связанном виде внутри ад-ронов и что ненаблюдаемость свободных кварков и глю-онов имеет не временный, а принципиальный характер и должна следовать из КХД. Если эта гипотеза правильна (в чём сходится большинство исследователей), то здесь впервые в истории физики возникает ситуация, когда "составляющие" объекты принципиально, а не в силу техн. трудностей невозможно выделить (ср. с тем, что молекулы можно расщепить на атомы, атомы - на ядра и электроны, ядра-на нуклоны и т. п.). Парадоксальность ситуации усугубляется тем, что кварки, из к-рых состоят обычные адроны (нуклоны, -мезоны и др.), имеют массу, много меньшую, чем сами адроны, а глюоны и вовсе безмассовы.

Пока не существует полностью убедительного и общепризнанного физ. механизма У. ц. Это связано с тем, что КХД является теорией с "сильной связью", поэтому проверить ту или иную гипотезу У. ц. очень сложно. Более того, даже сам критерий У. ц., т. е. то, что необходимо доказать, непросто сформулировать математически. Рассмотрим наиб. распространённые идеи, привлекаемые для объяснения У. ц. в рамках КХД.

Все предложенные механизмы У. ц. можно разделить на 2 направления: первое условно назовём "экранировкой цвета", второе - "линейным потенциалом". Согласно гипотезе экранировки цвета, глюонное поле, создаваемое отд. кварком, поляризует вакуум настолько сильно, что из вакуума со стопроцентной вероятностью рождается антикварк, полностью экранирующий цветовой заряд пробного кварка. Аналогично, в случае пробного глюона, внесённого в вакуум, рождается другой глюон, экранирующий цветовой заряд первого. Конкретным механизмом экранировки цвета мог бы быть (В. H. Грибов, 1985) аналог хорошо изученного в квантовой электродинамике (КЭД) явления сверхкритич. кулоновского взаимодействия. (Известно, что при заряде ядра Z> 137 уровень энергии электрона опускается ниже порога дираковского моря электронов с отрицат. энергиями.) При этом становится энергетически выгодным рождение электрон-позитронной пары, причём электрон остаётся вблизи ядра и частично экранирует его кулоновское поле на больших расстояниях, а позитрон уходит на бесконечность.

На малых расстояниях кварк создаёт цветовое поле, отвечающее, в силу асимптотической свободы, малому заряду. Однако на больших расстояниях эфф. цветовой заряд растёт и мог бы достичь критич. значения, при к-ром стало бы энергетически выгодным (по аналогии с КЭД) рождение кварк-антикварковой пары. При этом антикварк остался бы вблизи первого кварка, образовав "бесцветное" состояние - мезон, а рождённый кварк ушёл бы на бесконечность.

Сильная сторона гипотезы экранировки цвета-её от-носит. наглядность, а также согласие с тем фактом, что У. ц. носит "мягкий" характер: совокупность эксперим. данных по адронным процессам при высоких энергиях не даёт оснований считать, что кварки внутри адронов удерживаются к.-л. большими силами. Слабой стороной данной гипотезы является то, что экранировка может произойти лишь при эфф. заряде кварков порядка единицы. При этом уже нельзя полагать, что в задаче существенно лишь цветовое поле пробного кварка: при большом заряде становится вероятным рождение виртуальных глюонов и кварк-антикварковых пар. Проблема оказывается существенно теоретико-полевой, и аналогия с КЭД может быть обманчивой.

Кроме того, имеются основания предположить, что У. ц.-свойство не только реального мира, в к-ром есть кварки, но и воображаемого "чисто глюонного" мира, в к-ром кварков не существует, а есть только взаимодействующие между собой в соответствии с теорией Янга - Миллса глюонные поля. Такое упрощение КХД наз. к в а нт о в о й г л ю о д и н а м и к о й. Эксперим. данных о чисто глюонном мире, разумеется, нет, однако нек-рую информацию о квантовой глюодинамике можно получить путём моделирования теории поля с помощью компьютерных методов типа Монте-Карло. Компьютерное моделирование указывает, что У. ц. может осуществляться и без кварков, поэтому механизмом У. ц. вряд ли является экранировка цвета с помощью кварков.

Второй возможный механизм У. ц.-линейный потенциал-состоит в следующем. Если поместить на нек-ром расстоянии друг от друга в качестве пробных цветовых зарядов бесконечно тяжёлые кварк и антикварк в таком воображаемом мире, то, согласно гипотезе линейного потенциала, между ними будет действовать не зависящая от расстояния сила притяжения (численно она оказывается равной ок. 14 T), Эта сила препятствует разлетанию кварка и антикварка, в результате чего они образуют связанное состояние-мезон. Аналогичные силы действуют между 3 кварками, образующими др. связанное состояние - ба-рион.

Осн. предположение этой гипотезы-сила не убывает с увеличением расстояния между кварками. (Если бы она убывала, то, приложив достаточно большую энергию, можно было бы разорвать связанное состояние, т. е. "ионизовать" цвет, что противоречило бы идее У. ц.) Физика ещё не сталкивалась с подобным дальнодействием между микроскопич. объектами. К настоящему времени предложена лишь одна теоретико-полевая модель, в к-рой не убывающая с расстоянием сила притяжения зарядов, по-видимому, реализуется: это двумерная модель типа Джорджи- Глэшоу, исследованная A. M. Поляковым [1].

Существует нек-рая физ. аналогия требуемого дальнодействия. Представим себе бесконечный сверхпроводник, в к-рый внесены два идеально узких (и также бесконечных по длине) соленоида с током. Концы этих соленоидов являются источниками магн. поля-как бы магнитными монополями. Однако в идеальный сверхпроводник магн. поле не проникает (эффект Мейснера). Поскольку, с др. стороны, магн. линии должны быть замкнуты, в какой-то области сверхпроводимость обязана быть разрушенной, что соответствует проигрышу в энергии. Потеря энергии будет минимальной, если сверхпроводимость разрушится по прямой, соединяющей концы соленоидов (магн. моно-поли). Подобная ситуация осуществляется в сверхпроводниках II рода. Между монополями образуется "абрикосов-ская нить", в к-рой сжаты магн. линии, идущие от одного монополя к другому. Энергетич. затраты на образование "абрикосовской нити" пропорциональны её длине, т. е. расстоянию между монополями. T. о., между монополями в сверхпроводнике действует линейно растущий потенциал; соответственно сила притяжения между ними не убывает с расстоянием, как бы велико это расстояние не было.

Выдвинута гипотеза (С. Мандельстам [2], т'Хоофт), согласно к-рой У. ц. в глюодинамике осуществляется с помощью т. н. дуального эффекта Мейснера. В основе сверхпроводимости лежит конденсация куперовских пар электронов. Магн. поле не проникает в конденсат электрич. зарядов, и между магн. зарядами (монополями) образуется линейный потенциал. Если бы в глюодинамике происходила конденсация цветных магн. монополей (в теории Янга -Миллса существуют конфигурации глюонного поля, имеющие характер магн. монополей, в отличие от обычной электродинамики, где монополи можно создать лишь искусственно с помощью бесконечно узких соленоидов), то в такую среду не должны были бы проникать цветоэлектрич. силовые линии, отвечающие электрич. компонентам цветового поля (дуальный эффект Мейснера). В этом случае внесённые цветовые заряды соединялись бы трубкой из электрич. силовых линий, внутри к-рой конденсат монополей был бы разрушен. В результате между цветовыми зарядами возник бы линейный потенциал. Отметим, что в упомянутой выше двумерной теоретико-полевой модели реализуется близкий к описанному механизм У. ц.

Этот красивый механизм У. ц. остаётся пока гипотезой. Аналитич. проверка этой гипотезы (как и MH. других, см. обзоры [3, 4]) крайне затруднена, -т. к. "сильная связь" препятствует применению традиц. методов теоретич. физики. В теории сильных взаимодействий используются (с 1980) методы прямого численного моделирования теории поля, в частности для исследования проблемы У. ц. [4]. Разумеется, численный метод, учитывающий большое, но всё же конечное число степеней свободы, не может доказать рост кварк-антикваркового потенциала до асимптотически больших расстояний. Однако даже обнаруженный в компьютерных "измерениях" рост потенциала на промежуточных расстояниях (область проведённых измерений примерно до 1,5 Ф) факт нетривиальный. (На рост кварк-антикваркового потенциала на таких расстояниях указывает и анализ в рамках потенциальных моделей реально существующих в природе связанных состояний тяжёлых кварков.) Имеются также компьютерные свидетельства того, что при высокой темп-ре (ок. 200 МэВ) в КХД происходит фазовый переход к "деконфайнменту" - состоянию вещества, в к-ром нет У. ц., а ядерная материя существует в форме кварк-глюонной плазмы. Такой фазовый переход может иметь важные последствия для космологии горячей стадии Вселенной. Однако физ. механизм этого фазового перехода остаётся неясным, если не считать нек-рых данных о причастности к нему конфигураций глюонного поля типа описанных выше цветных монополей.

Несмотря на впечатляющее кол-во "эксперим. данных", полученных с помощью компьютерного моделирования теории поля (см. Решётки метод), многие исследователи подвергают сомнению его адекватность физ. реальности, поскольку условия такой адекватности (большой объём системы, малый шаг численной решётки, малость "затравочной" константы связи и др.) если и выполняются, то с натяжкой. По-видимому, надо с нек-рой осторожностью относиться к компьютерным данным, поскольку они, помимо прочего, указывают на то, что линейный потенциал существует не только между кварком и антикварком, но и между двумя глюонами (точнее, двумя пробными источниками с цветовым зарядом глюона). Если предположить (как это обычно делается), что в глюодинамике существуют связанные состояния глюонов - "бесцветные" глюбо-лы, то асимптотич. линейного потенциала между глюон-ными источниками не может быть: было бы энергетически более выгодным рождение глюболов, т. е. наблюдаемый рост потенциала между глюонами есть предасимптотич. эффект. В таком случае нельзя исключить, что и наблюдаемый при численном моделировании линейный потенциал между кварком и антикварком тоже есть не асимптотическое, а временное явление.

Наконец, даже если в чисто глюонном мире имеет место неограниченно растущий линейный потенциал между ста-тич. кварками, то в реальном мире с лёгкими кварками его быть не может, т. к. при большом разведении пробных кварка и антикварка становится энергетически выгодным рождение кварк-антикварковых пар, образующих обычные мезоны. Иными словами, линейно растущий потенциал неизбежно "экранируется" лёгкими кварками. Поэтому возможно, что для создания реалистич. количественной теории адронов придётся комбинировать идеи линейного потенциала с идеей экранировки цвета. Строго говоря, доказательством У. ц. было бы установление того, что в корреляторах "бесцветных" (калибровочно-инвариант-ных) токов нет порогов рождения цветных кварков и глюонов, а есть только полюса и пороги, отвечающие бесцветным состояниям - мезонам и барионам.

Проблема У. ц.- одна из наиб. фундам. проблем совр. теоретич. физики. Уникальность ситуации состоит в том, что накоплен богатейший эксперим. материал по свойствам адронов и их взаимодействиям, и вместе с тем, даже если будет обнаружен следующий, более глубокий уровень материи (напр., окажется, что кварки сами являются составными объектами), то это не поможет решению проблемы: У. ц. должно быть объяснено в рамках существующей теории - КХД.

Лит.:l) Polyakov A. M., Quark confinement and topology of gauge theories, "Nucl. Phys.", 1977, v. 120B, p. 429; 2) Mandelstam S., Vortices and quark confinement in non-Abelian gauge theories, "Phys. Reports", 1976, v. 23C, p. 245; 3) Симонов Ю. А., Модели конфайнмента, в сб.: Физика элементарных частиц (Материалы XXII Зимней школы ЛИЯФ), Л., 1987, с. 3; 4) Макеенко Ю. M., Метод Монте-Карло в калибровочных теориях на решетке, "УФН", 1984, т. 143, с. 161. Д. И. Дьяконов.