In English

Модель кварковых квазичастиц

 

Материал из свободной русской энциклопедии «Традиция»

Модель кварковых квазичастиц представляет собой теоретическую модель, альтернативную представлениям о возникновении кварков в результате Большого взрыва и модели кварков в квантовой хромодинамике и в теории элементарных частиц. Для обоснования модели кварковых квазичастиц привлекаются теория бесконечной вложенности материи, теория подобия уровней материи, SPФ-симметрия, сильная гравитация, субстанциональная модель нейтрона и субстанциональная модель протона. Модель кварковых квазичастиц демонстрирует, что кварки являются не самостоятельными частицами, а квазичастицами, то есть проявлением симметрии состояний вещества адронов при трансформации этого вещества под влиянием фундаментальных взаимодействий, а также в реакциях с элементарными частицами. Отсюда следует, что модель кварков является не окончательной, а некоторой промежуточной теорией строения адронов.

Содержание

  • 1 Стандартная теория
  • 2 Субстанциональный подход
    • 2.1 Фазы адронного вещества
    • 2.2 Моделирование кварков
  • 3 Адроны
  • 4 Обоснование модели
    • 4.1 Двухчастичные реакции
    • 4.2 N и Δ барионы
    • 4.3 Странные частицы
    • 4.4 Дипионные состояния
    • 4.5 Барионий
    • 4.6 Массивные векторные бозоны
    • 4.7 T-кварк и бозон Хиггса
    • 4.8 Тау-лептон
  • 5 Ответы на вопросы
  • 6 Интерпретация квантовых чисел кварков
  • 7 Симметрии адронов как причина идеи кварков
  • 8 Ссылки
  • 9 Внешние ссылки
  • 10 См. также

Стандартная теория

Изначально теория кварков строилась как искусственная теоретическая схема для описания симметрии взаимодействий адронов. В хромодинамике кварки рассматриваются как точечные объекты точно не определённой массы, из которых составляются адроны – барионы и мезоны. Существует шесть типов (ароматов) кварков: u, d, s, c, b, t, которые в целом обозначаются символом q. Для обозначения антикварков используется тильда или черта над символом кварка. Считается, что барионы состоят из трёх кварков, а мезоны – из кварка и антикварка. Кваркам приписывают особую зарядовую характеристику – цвет, а также квантовые числа, отличающие каждый кварк от других частиц. Сутью сильного взаимодействия между адронами предполагается сильное взаимодействие между кварками путём обмена глюонами, переносящими цвет. Распады кварков осуществляются посредством слабого взаимодействия с излучением массивных векторных W-бозонов. Кварки переносят дробный заряд и полуцелый спин и могут находиться только внутри адронов (эффект конфайнмента, то есть удержания цвета). При этом адроны цвета не имеют из-за компенсации цвета у составляющих их кварков.

За счёт введения ряда специфических свойств и дополнительных характеристик в области строения частиц и действия новых полей идея кварков позволила привести в упорядоченную систему множество адронов и описать динамику их взаимодействия, включая распады частиц, оценки сечения их взаимодействия друг с другом, времени жизни, спинов и магнитных моментов, уровней энергии и масс частиц. Несмотря на эти успехи, в теории имеется значительное количество важных и до сих пор не решённых проблем.

Принципиальной трудностью теории является то, что в квантовой хромодинамике взаимодействие фундаментальных частиц (кварков, лептонов, векторных бозонов) рассматривается практически как точечное событие с частицами, не имеющих размеров. Описание такого взаимодействия на основе симметрии калибровочной теории поля приводит к неустранимым до конца математическим расходимостям, и к заведомой неточности предсказаний теории.

Субстанциональный подход

Ненаблюдаемость кварков в свободном состоянии, локальность их взаимодействия, аппроксимация поведения кварковой материи идеальной жидкостью при столкновениях с большой энергией [1] приводят к мысли о том, что кварки являются особого рода квазичастицами, тесно связанными с веществом адронов. Элементарные частицы обладают спином (характерным моментом импульса за счёт собственного вращения), электрическим зарядом, магнитным моментом и могут иметь сложную внутреннюю структуру. Как кварки, так и адроны участвуют во всех четырёх фундаментальных взаимодействиях. Считается, что при сильных взаимодействиях происходит перераспределение кварков между адронами и рождение новых кварк-антикварковых пар и глюонов из вакуума при поляризации последнего глюонами.

С другой стороны, сильное взаимодействие может быть объяснено с помощью сильной гравитации, поля кручения и электромагнитных сил на основе гравитационной модели сильного взаимодействия. [2]  Плотность вещества внутри нуклона лишь в несколько раз выше плотности вещества нейтронной звезды, [3] в которой вещество находится в состоянии нейтронной жидкости с небольшой примесью протонов и электронов. Уменьшение массы нейтронной звезды ниже предела 0,1 – 0,2 солнечных масс неизбежно приводит к трансформации вещества звезды в менее плотную фазу, напоминающую вещество белого карлика или даже обычной звезды, с выделением энергии. [4]  Если так же рассматривать адронное вещество, то в реакциях рассеяния частиц при достаточно большой энергии от адронов могут отрываться массы вещества, с последующим изменением его состояния и превращением в новые элементарные частицы. Во многих случаях образуются пионы (мезоны минимальной массы), которые с точки зрения подобия уровней материи подобны нейтронной звезде с массой 0,2 солнечных масс, что близко к пределу устойчивости таких звёзд в отношении состояния вещества.

Кроме этого можно также предположить, что с течением времени вещество многих элементарных частиц испытывает трансформацию за счёт взаимодействий, аналогичных слабому взаимодействию, приводя к распадам этих частиц. Отсюда с учётом квантованности разнообразных свойств элементарных частиц, сложности их структуры и возможности разного вида взаимодействий, наблюдаемая симметрия свойств адронов и их резонансных состояний может быть не следствием существования кварков, а симметрии внутренних свойств вещества самих адронов и окружающих их полей.

Фазы адронного вещества

Под α – фазой адронного вещества понимается такое же вещество, как в намагниченном ядре нейтрона, а β – фаза соответствует веществу в оболочке нейтрона, намагниченному противоположно. Данные фазы вещества вытекают из субстанциональной модели нейтрона. В этой модели магнитный момент нейтрона складывается из магнитных моментов ядра и оболочки, при этом ядро нейтрона и α – фаза вещества заряжены положительно, а оболочка нейтрона и β – фаза вещества заряжены отрицательно. Суммарный заряд нейтрона равен нулю, а магнитный момент определяется отрицательным магнитным моментом β – фазы вещества, превышающим по модулю магнитный момент α – фазы вещества за счёт большого объёма оболочки и увеличенного магнитного потока по сравнению с ядром.

Бета-распад нейтрона происходит как следствие реакций слабого взаимодействия в веществе нейтрона, перестройки структуры магнитного поля и выброса отрицательного электрического заряда из оболочки в виде электрона, с превращением нейтрона в протон. В первом приближении можно считать, что магнитный момент  Pβ  оболочки меняет свой знак и становится направленным так же, как магнитный момент  Pα  ядра. Поскольку сумма магнитных моментов оболочки и ядра должны давать магнитный момент протона, а их разность – магнитный момент нейтрона, то отсюда можно оценить, что  Pα = 0,44 μ,  Pβ = 2,35 μ,  где  μ – ядерный магнетон. Данные магнитные моменты соответствуют тому, что на середине радиуса нейтрона происходит смена знака плотности внутреннего объёмного электрического заряда. Таким образом α – фаза и β – фаза в веществе нейтрона заряжены и намагничены противоположно.

Моделирование кварков

В модели С. Федосина предполагается, что не только нуклоны, но и все адроны, а значит и кварки могут быть составлены из некоторых комбинаций указанных выше двух фаз вещества. Состав кварков указан в таблице. [2]

Состав кварков

Кварк

Доля α – фазы

Доля β – фазы

u

d

–⅔

s

–⅔

c

4/3

–⅔

b

4/3

–5/3

t

4/3

–⅔


Согласно таблице, соотношение между фазами вещества для кварка u имеет вид: u = α/3 + β/3, аналогично для кварка b : b = 4α/3 – 5β/3. Если положить, что значения α и β соответствуют единичному элементарному электрическому заряду, то тогда верхние кварки u, c, t будут иметь заряды +2/3, а нижние кварки d, s, b соответственно (–1/3) в единицах элементарного электрического заряда.

Адроны

Состав α , β для адронов получается суммированием α , β состава кварков, входящих в данные частицы. В следующих таблицах показан α , β состав некоторых адронов.

Состав барионов

Частица

Масса-энергия, МэВ

Кварковый состав

α , β состав

p+

938,272029

uud

α

n0

939,565360

udd

α – β

Λ0

1115,683

[ud]s

0

Ξ

1321,31

dss

– α

 \Xi ^+_{cc}

3519

dcc

3α – 2β

  \Xi^-_{b}

5774

dsb

α – 2β

 

Состав мезонов

Частица

Масса-энергия, МэВ

Кварковый состав

α , β состав

π+

139,57018

u \bar {d}

β

π0

134,9766

\frac {1}{\sqrt 2}(u \bar {u}-d \bar {d})

0

K+

493,677

 u \bar {s}

α

K0S

497,648

\frac {1}{\sqrt 2}(d \bar {s}-s \bar {d})

2α – 2β

K0L

497,648

\frac {1}{\sqrt 2}(d \bar {s}+s \bar {d})

0

D0

1864,5

c \bar {u}

α – β

B^0_{s}

5367,5

s \bar {b}

–2α + 2β

B^+_{c}

6286

c \bar {b}

β

Υ0

9460,3

b \bar {b}

0


В таблицах адроны типа  ~ \Sigma^0, \pi^0, \eta^0, J/\psi^0  имеют нулевую или неопределённую фазу вещества. Это означает отсутствие у этих частиц не скомпенсированного электрического заряда и указывает на состояние вещества, не являющееся полной  α  либо β – фазой. Можно считать, что вещество данных частиц находится в смешанном состоянии, с  α – β  или  –α + β  фазами. Обычно подобные частицы имеют существенно меньшее время жизни по отношению к частицам с другим составом вещества. Примером является распад \Lambda \rightarrow p^+ + \pi^- ,  в котором неопределённая фаза вещества частицы ~\Lambda превращается в  α – фазу протона и в (– β) – фазу отрицательного пиона. Некоторые нейтральные адроны явно состоят из обеих фаз вещества, имея состав вида  α – β,  –α + β,  2α – 2β. У заряженных адронов преобладает  α  или  β – фаза соответствующего знака. Анализ известных магнитных моментов адронов показывает, что почти у всех положительно заряженных частиц магнитный момент направлен вдоль спина, а у нейтральных и отрицательно заряженных частиц – против спина. Это является следствием того, что превышение одной фазы вещества над другой приводит к преобладанию заряда и магнитного момента данной фазы над другой фазой.

Обоснование модели

Согласно теории бесконечной вложенности материи и SPФ-симметрии, на каждом уровне материи повторяется один и тот же сценарий образования новых объектов: они возникают в результате аккумуляции вещества нижних уровней материи под действием гравитационных и электромагнитных сил, а также в процессах распада вещества высших уровней материи, происходящих за счёт различных взаимодействий. С этой точки зрения для рождения элементарных частиц, а значит и кварков, не требуется гипотеза о Большом взрыве. Тем самым снимается известная проблема наблюдаемого отсутствия антивещества во Вселенной, так как без Большого взрыва не должно быть и большого количества антивещества. В модели кварковых квазичастиц кварки являются следствием симметрии свойств различных фаз адронного вещества и квантового поведения частиц при их взаимодействиях. В частности, в таких процессах сохраняются и перераспределяются количество вещества, энергия, импульс, характерный спин, электрический заряд, магнитный поток и другие аналогичные величины. Результаты взаимодействия элементарных частиц зависят также от конфигурации взаимодействия и соответствующего сложения (вычитания) векторных физических величин частиц. Для перехода от формальной кварковой схемы к реальным моделям взаимодействий, и замены кварков как некоторых частиц на кварки – квазичастицы в виде комбинаций фаз адронного вещества, необходимо показать, что для каждой реакции с адронами существует определённый и наглядный физический механизм, не требующий введения множества новых сущностей (глюонов, массивных векторных бозонов, цветовых зарядов, углов смешивания состояний и т.д.), призванных описать наблюдаемые симметрии адронов.

Двухчастичные реакции

В ряде случаев частицы настолько тесно взаимодействуют друг с другом, что существенно изменяют своё состояние. Например, в реакции перезарядки отрицательного пиона   \pi^- + p^+ \rightarrow \pi^0 + n^0 протон превращается в нейтрон. При этом остаётся неизменной сумма фаз вещества до и после реакции, равная  α – β. При соединении пиона с протоном не меняется суммарный спин, спин протона равен спину нейтрона, спины пионов приблизительно равны нулю. Можно считать, что превращение протона в нейтрон происходит за счёт аннигиляции положительного заряда в оболочке протона отрицательным зарядом пиона, с последующим перемагничиванием и перезарядкой оболочки протона. Электрический заряд пиона стекает в оболочку протона под действием кулоновской силы от положительного заряда в центре протона, что приводит к распределению заряда, типичного для нейтрона (центр заряжен положительно, оболочка отрицательно). Данная конфигурация заряда устойчива, так как отрицательный заряд в оболочке отталкивается сам от себя и потому не рекомбинирует с положительным зарядом в центре нейтрона. В ходе взаимодействия с массивным протоном пион теряет свою преимущественную  β – фазу вещества, превращается в нейтральный пион с нулевой фазой вещества и затем распадается на два гамма-кванта.

Неопределённую или нулевую фазу вещества можно понимать как такое состояние адронного вещества, когда в нём отсутствует целостная упорядоченность магнитного момента, а суммарный заряд равен нулю. Время жизни нейтрального пиона 0,084 фс, переведённое во время жизни соответствующей звезды путём умножения на коэффициент подобия по времени  П = 6,1•1019  согласно теории подобия уровней материи, даёт 1,4 часа. Среди всех адронов пионы обладают наименьшей массой, в 6,8 раз меньшей массы нуклонов. Масса нейтронной звезды, соответствующая отрицательно заряженному пиону, равна приблизительно 0,2 солнечных массы. Если такая звезда сталкивается с магнитаром, являющимся аналогом протона на звёздном уровне, то за время не более 1,4 часа происходит дефрагментация со взрывным выбрасыванием излишнего вещества и сильным излучением. Этому способствует как начальная кинетическая энергия движения звёзд, так и выделение гравитационной и электромагнитной энергии при их соединении. При этом происходит перезарядка и перемагничивание оболочки магнитара, так что звезда в целом становится электрически нейтральной, а её магнитный момент меняет знак. Выбрасываемое вещество и излучение могут направляться магнитным полем звезды, давая противоположно направленные потоки (джеты) с началом на магнитных полюсах. Такая картина объясняет распад нейтрального пиона на два гамма-кванта и малое время жизни этого пиона.

Энергетику реакции   \pi^- + p^+ \rightarrow \pi^0 + n^0 нетрудно найти количественно для случая, когда протон неподвижен, а кинетическая энергия пиона мала. При соединении пиона с протоном выделяется энергия сильной гравитации, которую можно оценить по формуле :

 E_{\Gamma }= -\frac {k\Gamma M_p M_\pi}{R} ,

где ~ \Gammaпостоянная сильной гравитации, ~ M_p   и    ~M_\pi  – массы протона и пиона соответственно, R=0,87 \cdot 10^{-15} м  – среднее расстояние от центра протона до пиона, приблизительно равное радиусу протона.

Для модуля энергии это даёт \mid E_{\Gamma } \mid = 271  МэВ в энергетических единицах. Часть этой энергии излучается в виде двух гамма-квантов, с общей энергией не меньше величины 134,963 МэВ, которая считается массой-энергией покоящегося нейтрального пиона. Отсюда следует, что в данном случае нейтральный пион не является самостоятельной частицей и существует как переходное состояние вещества на поверхности массивного адрона.

Другой реакцией перезарядки является реакция:   \pi^+ + n^0 \rightarrow \pi^0 + p^+. В данном случае положительный пион производит перемагничивание и перезарядку оболочки нейтрона, превращая его в протон. Одновременно сам пион становится нейтральным, как это описано выше, и распадается с излучением гамма-квантов.

При взаимодействии гамма-кванта с протоном может образоваться пион и нейтрон в реакции:  \gamma + p^+ \rightarrow \pi^+ + n^0 . Состав вещества в этой реакции сохраняется, так как протон состоит из вещества  α – фазы, у пиона  β – фаза вещества, у нейтрона состав вещества равен  α – β, а гамма-квант полагается нейтральным, имеющим нулевую фазу вещества. Скорость гамма-кванта равна скорости света и соответствует характерной скорости вещества внутри протона. Следовательно, если подобрать длину волны гамма-кванта близкой к размеру протона, то энергия кванта будет резонансным способом поглощаться протоном и протекание реакции становится возможным. Из эксперимента следует, что сечение реакции  \sigma=2 \cdot 10^{-32}м2, а требуемая энергия ~E_\gamma гамма-кванта около 0,3 ГэВ в лабораторной системе отсчёта. Если считать, что  \sigma=\pi R^2_p, то для радиуса протона ~R_p получается значение 0,8 Фм. Оценка длины волны кванта даёт:  \lambda=\frac {hc}{E_\gamma }=4\cdot 10^{-15}м. Простейшим условием резонанса является размещение половины длины волны на диаметре протона:  ~\lambda /2=2 R_p , как для колебаний между двумя закреплёнными концами. Находимая отсюда величина ~R_p не более чем в 1,15 раза превышает настоящий радиус протона.

Одной из проблем при фоторождении частиц является происхождение массы у вновь возникающих частиц. Если использовать формализм специальной теории относительности, то в нём масса частицы или обнаруживаемого из эксперимента состояния системы частиц является вторичным параметром и определяется через суммарную энергию и полный импульс. При таком определении в массу делают вклады как энергия, так и импульс, причём вопрос о сохранении количества вещества как меры массы этого вещества никак не рассматривается. Это естественным образом вытекает из самого подхода, когда рассматриваются лишь энергии и импульсы начальных и конечных состояний частиц без анализа трансформации вещества и энергии частиц в процессе их взаимодействий (смотри эквивалентность массы и энергии). Учёт сильной гравитации позволяет добавить в уравнения баланса энергий члены, связанные с полной энергией частиц в поле сильной гравитации, и тем самым принять во внимание закон сохранения количества вещества частиц, участвующих во взаимодействиях. [5]

N и Δ барионы

Анализ реакций с элементарными частицами показывает, что при наличии точных моделей частиц и их взаимодействий гипотеза кварков становится излишней. Наиболее ярко это проявляется при образовании барионов  N  и  Δ, имеющих спин соответственно  ħ/2  и  3ħ/2  (ħпостоянная Дирака). Эти барионы обычно возникают при облучении нуклонов гамма-квантами, при рассеянии электронов и пионов в веществе, и считаются нуклонными резонансами, то есть возбуждёнными состояниями нуклонов с малым временем жизни. Состав нуклонов совпадает с  α , β составом  N-барионов, а также нейтральных и однократно положительно заряженных  Δ-барионов. Замечено, что столкновение отрицательных пионов соответствующей энергии с нуклонами приводит в основном к возникновению различных резонансов типа  N, а от столкновения нуклонов с положительными пионами чаще возникают резонансы типа  Δ.

Для образования резонанса Δ1 (1232 МэВ) необходимо, чтобы орбитальный момент импульса пиона величиной  ħ  и спин нуклона величиной ħ/2 сложились вместе в момент пролёта пиона возле нуклона. Хотя пион частично раскручивает нуклон и передаёт ему свою энергию движения, значительная часть спина резонанса Δ1  возникает от орбитального момента импульса пиона, скорость которого почти равна скорости света. Время жизни состояния  Δ1  определяется по формуле τ = ħ/Γk,  где Γk = 118 МэВ – ширина уровня данного резонанса. Отсюда получается  τ = 5,6•10–24 с. Исходя из данного времени и орбитального момента импульса определяется минимальное расстояние между центрами пиона и нуклона (0,86•10–15м), что близко к радиусу нуклона. [2] Для оценки угла поворота  θ  пиона возле нуклона, происходящего за время  τ  под действием сильной гравитации  и электромагнитных сил, можно записать: θ ∙ Rpc ∙ τ , откуда  θ < 111º. В экспериментах же по рассеянию пионов на нуклонах максимумы в дифференциальных сечениях обнаруживаются при углах рассеяния порядка 40º [6]. Энергия связи резонанса близка к нулю, вследствие чего он быстро распадается на нуклон и пион.

Описанная картина повторяется и для резонанса  N1 (1440 МэВ), с тем отличием, что в этом случае орбитальный момент импульса пиона и спин нуклона направлены противоположно и вычитаются друг из друга, а время жизни состояния ещё меньше, равняясь 1,5•10–24 с. Анализ других резонансов  N  и  Δ  показывает, что особенности их возникновения в процессах рассеяния пионов на нуклонах могут быть объяснены действием различных сил: а) между магнитными моментами частиц; б) между спинами частиц; в) кулоновская сила; г) магнитная сила Лоренца; д) спин-орбитальная сила (поле кручения от спинов частиц в поле сильной гравитации воздействует на движущиеся массы частиц). Силы отличаются у разных наборов исходных частиц при разных конфигурациях взаимодействия. [2] Если же не рассматривать конкретную модель взаимодействия в каждом случае и использовать идею кварков, то последним в резонансах приходится приписывать кроме спина орбитальные моменты импульса, а получающиеся частицы считать формальным следствием симметрии пространственной волновой функции составной системы из кварков. При этом рассматривается спиновое, орбитальное и спин-орбитальное взаимодействие кварков. По видимому, данные взаимодействия кварков так отражают действительность, что соответствуют силам от магнитных моментов и спинов частиц, кулоновских сил и магнитной и гравитационной сил Лоренца, возникающих между адронами при их взаимодействии.

Странные частицы

Анализ реакций взаимодействия, распадов и моделей странных адронов показывает, что они могут представлять собой комбинации из более простых адронов. [5] Предполагается например, что гиперон  Λ  состоит из быстровращающихся друг возле друга вдоль одной оси протона и пиона, удерживаемых сильной гравитацией и спиновыми полями кручения. При расчёте условия равновесия используются уравнения для сил и энергий. С течением времени происходит медленное сближение нуклона и пиона, они сталкиваются между собой и происходит распад  Λ. Точно также показывается, что гиперон  Σ  является соединением нейтрона с пионом. Странные барионы  Ξ  оказываются более сложными конструкциями, содержа протон и два пиона. В состав  Ω-бариона кроме протона входят уже три или четыре пиона, придавая бариону странность, равную 3.

Мезоны K  являются по всей видимости соединениями из трёх пионов и имеют следующие составы:

 K^{0}_L = \pi^{-} \pi^{0} \pi^{+},

 K^{0}_S = \pi^{-} \pi^{+} \pi^{0},

~ K^{-} = \pi^{-} \pi^{+} \pi^{-},

 ~K^{+} = \pi^{+} \pi^{-} \pi^{+}.

Различие конфигураций составов пионов у   K^{0}_L  и   K^{0}_S  приводит к тому, что время жизни первых каонов существенно превышает время жизни вторых, а также к различию результатов реакций взаимодействия с другими частицами. Это позволяет отказаться от идеи представления нейтральных каонов в виде квантовой суперпозиции двух базовых состояний, принятой в стандартной теории для объяснения различия двух видов нейтральных каонов, с введением так называемых углов смешивания базовых состояний.

Векторный мезон  Φ  с энергией 1019,455 МэВ за время жизни порядка 1,5•10–22 с распадается на два каона. Если считать, что скорости движения каонов порядка скорости света, то за время жизни мезона  Φ  каоны пройдут путь не более, чем длина самих каонов, составленных из трёх пионов. Отсюда следует, что быстрораспадающееся состояние мезона  Φ  возникает при тесном взаимодействии двух мезонов, состоящих в совокупности из 6 пионов.

Существуют достаточно долго живущие адроны, в которых кроме странного кварка присутствуют очарованные и красивые кварки. Примером являются барион  ~\Xi_c с  энергией 2471 МэВ и временем жизни 0,112 пс, и барион  ~\Xi_b  с энергией порядка 5792,9 МэВ и временем жизни 1,42 пс. Анализ продуктов их распада показывает, что суммы энергий вторичных частиц может не хватить для того, чтобы они могли быть в состоянии равновесия и образовывать адрон, как это имеет место у менее массивных странных адронов. Отсюда делается вывод, что очарованные и красивые странные адроны имеют дополнительную особенность – их состояния могут возникать при таких столкновениях менее массивных компонент, когда выделяется дополнительная энергия за счёт энергии сильной гравитации и трансформации адронного вещества.

Дипионные состояния

Мезонные резонансы появляются в разных процессах, например при фоторождении, при столкновении электрон-позитронных пучков, при рассеянии пионов на нуклонах, при аннигиляции нуклонов и т.д. Некоторые резонансы типа  f  и  ρ  практически всегда распадаются на два пиона. Время жизни этих резонансов не превышает 1,6•10–23 секунд. [7]  За такое время две быстродвижущиеся массы вещества, столкнувшись, могут сделать не более одного оборота вокруг общего центра тяжести и затем распадаются, превращаясь в два релятивистских пиона (или в другие мезоны).

Резонанс ~f^0_{0}(600) имеет нижнюю границу массы-энергии около 400 МэВ и нулевой спин. Его можно рассматривать как результат почти центрального столкновения двух пионов, каждый из которых обладает кинетической энергией от 61 МэВ при скорости движения более 0,72 с, где с – скорость света. Время жизни этого резонанса мало, так что пионы сразу же разлетаются с полуупругим рассеянием.

Спин мезона ρ (775)  равен  ħ, и его можно понять в ситуации, когда два встречных пиона в течение 4,5•10–24 секунд тесно взаимодействуют друг с другом на минимальном расстоянии 2R, а затем разлетаются в разные стороны. Полная энергия в расчёте на один пион равна половине массы-энергии  ρ – мезона, то есть 388 МэВ. Отсюда по релятивистской формуле, связывающей массу и энергию, нетрудно найти импульс каждого пиона. По крайней мере один из пионов является заряженным, а второй либо нейтральный, либо заряжен противоположно, в зависимости от наличия и знака заряда ρ – мезона. Движущийся пион создаёт вокруг себя поле сильной гравитации, в котором имеется напряжённость гравитационного поля и поле кручения ~\Omega . При встречном движении пионов и их скорости движения порядка скорости света, сила от поля кручения складывается с силой гравитационного притяжения, удваивая последнюю. [3] В первом приближении можно приравнять ускорение гравитации и центростремительное ускорение частиц относительно центра инерции при их движении друг возле друга:

 \frac {\Gamma M}{2R^2} = \frac {p c}{R},

где  ~M и   ~p – масса покоя и импульс пиона,  ~c– скорость света как приблизительная скорость пиона.

Из данного равенства получается R = 2•10–16 м. С другой стороны, для спина мезона можно положить, что ħ = 2 p R , откуда R = 2,7•10–16 м. Следовательно, радиусы пионов должны быть больше величины R, чтобы при столкновении пионов проявился мезон ρ (775).

Среди мезонов имеются частицы с большими значениями спина, например у  ~f_{6}(2510). Если считать, что спин этой частицы величиной 6 ħ возникает от взаимодействия двух пионов, то для половины наименьшего расстояния  R  между центрами пионов получается значение 4,7•10–16 м. Радиус пиона по-видимому ещё больше, как следует из расчётов, [5] и из экспериментальных сечений взаимодействия пионов друг на друге при высоких энергиях.

Дипионное состояние с минимально возможной энергией, равной сумме энергий покоя двух пионов, наблюдается в ряде реакций, например, при распаде каона на три пиона или на два пиона и лептоны. [8] Для связи положительного и отрицательного пионов имеется особое название – пионий. Поскольку в стандартной теории имеются затруднения с объяснением дипионных состояний, предлагаются различные объяснения, например, с помощью введения в сильное взаимодействие анизотропной компоненты за счёт деформации метрики пространства Минковского вблизи частиц. [9] Если же исходить из идеи сильной гравитации, то соединение двух пионов возможно так же, как у странных частиц и атомных ядер, за счёт баланса гравитационной силы и спин-спинового взаимодействия, возникающего от полей гравитационного кручения. [5]

Барионий

По определению, для образования бариония требуется соединение двух кварк-антикварковых пар. При аннигиляции протона и антипротона часто наблюдается мезон ~f_2 (1565) с квантовыми числами ~J^{PC}=2^{++}(J спин, P чётность, C – собственное значение оператора зарядового сопряжения). Данный мезон распадается на пионы или на пары мезонов типа   \rho^0 \bar{\rho^0},  и его зачастую рассматривают не с точки зрения кварков, а как слабосвязанное и распадающееся состояние двух барионов. Имеются и другие примеры барионных состояний, [7] такие как ~f_2 (1950), распадающийся на   K^{*0} \bar{K^{*0}},  и  ~f_2 (2010), у которого наблюдаются распады на пары   \Phi^{0} \bar{\Phi^{0}}.Известно, что некоторые массивные мезоны кроме распадов на мезоны, лептоны и фотоны имеют распады и на барионы и антибарионы, представляя в последнем случае состояния бариония.

В ряде работ делаются попытки вместо использования кварковой схемы описывать состояния адронов на уровне более простых адронных составляющих. Например, гиперон Λ(1405)  рассматривается как динамически связанное состояние нуклона и каона, [10] а скалярные мезоны f(980)  и  a(980)  полагаются молекулой из каона и антикаона. [11] Адронные молекулы из каона, антикаона и нуклона рассматриваются в [12] путём решения уравнения Шрёдингера для волновой функции трёх частиц и использования двух предполагаемых в модели потенциалов взаимодействия. В работе [13] доказывается, что многие резонансные состояния N,  Δ,  Λ,  Σ,  Ξ,  Ω  являются динамическими связанными состояниями векторных мезонов (типа  ρ  и  ω) с барионами, входящими в барионные октет с нуклонами и в декуплет с  Δ.

Массивные векторные бозоны

В теории кварков слабое взаимодействие, включая распады кварков, обычно сводят к возникновению промежуточных бозонов как переносчиков взаимодействия. В отличие от безмассовых фотонов, в электрослабой теории W- и Z-бозоны обладают большой массой, что соответствует предполагаемому малому радиусу их взаимодействия и значению константы Ферми для слабых распадов. Массы W^{\pm} бозонов из экспериментов равны 80,398 ГэВ, масса ~Z^{0} равна 91,19 ГэВ. Промежуточные бозоны были открыты в столкновениях встречных пучков протонов и антипротонов в 1983 г. Они определялись по распадам, в которых  W бозон распадался на электрон (позитрон) и электронное нейтрино (антинейтрино), а Z бозон – на электрон и позитрон, причём лептоны имели большие энергии и вылетали противоположно. Считается, что при малых энергиях слабое взаимодействие осуществляется виртуальными W- и Z-бозонами, позволяющими формально описать взаимодействие, но при достаточно больших энергиях виртуальные бозоны становятся реальными и дают симметричные распады лептонов.

В модели кварковых квазичастиц существует иное объяснение тому, что при больших энергиях столкновений нуклонов и антинуклонов возникают состояния частиц, объясняемые как W- и Z-бозоны. Перейдём от элементарных частиц к уровню звёзд и рассмотрим столкновение двух нейтронных звёзд, являющихся аналогами нуклонов. В типичной нейтронной звезде средняя плотность \rho_s = 3,7  \cdot 10^{17}кг3, характерная скорость нуклонов C_s = 6,8  \cdot 10^{7}м/с, характерное давление по звезде P_s = 8,5  \cdot 10^{32}Па связаны формулой:

 P_{s }= \frac {\rho_s C^2_{s}}{2} . \qquad\qquad (1)

Для рождения промежуточных бозонов необходимо, чтобы протон и антипротон имели энергии при встречном столкновении по 270 ГэВ, что в 287 раз больше энергии покоя протона. При столкновении двух нейтронных звёзд, кинетическая энергия которых в 287 раз превышает энергию связи звезды, возникает динамическое давление вещества, приблизительно равное  ~ P_{sd} = 287 P_s .С ростом давления растёт и средняя плотность вещества. В приближении однородного нуклонного газа существует следующая связь (в системе единиц СИ) между давлением и плотностью вещества нейтронной звезды: [5]

P=5990 \rho^{5/3}. \qquad\qquad (2) 

Из соотношения (2) следует, что давлению  ~P_{sd} соответствует динамическая плотность вещества  ~\rho_{sd}=287^{3/5}  \rho_{s}.  Если теперь подставить ~ P_{sd}  и   ~\rho_{sd} в формулу (1), то получится, что скорость нуклонов в звёздах становится равной величине   ~287^{1/5}  C_s = 3,1 C_s . Это является следствием быстрого перехода кинетической энергии столкновения во внутреннюю энергию вещества звёзд.

Тогда на уровне элементарных частиц рождение W- и Z-бозонов при столкновении протонов и антипротонов соответствующей энергии сопровождается тем, что вещество этих нуклонов приобретает скорость, равную ~ 3,1c . При этом энергии и импульсы вещества и излучения становятся достаточно близкими по величине, объясняя симметричное возникновение пар лептонов в виде электрона и нейтрино, электрона и позитрона. Для сравнения можно вычислить ещё скорость, необходимую пробному телу на поверхности нуклона для того, чтобы преодолеть тяготение от сильной гравитации:

V = \sqrt{\frac {2 \Gamma M_p} {R_p}}= 2,5 c . 

Данная скорость оказывается меньше, чем скорость вещества ~ 3,1c , ожидаемая в процессах с W- и Z-бозонами.

То, что скорость пробного тела должна в 2,5 раза превышать скорость света, чтобы служить аналогом второй космической скорости для нуклона, не является противоречивым или парадоксальным. Поскольку в специальной теории относительности всё измеряется с помощью скорости света, в ней возникает проблема с измерением скорости объектов, превышающей скорость света. Данную проблему обходят тем, что скорости и массы считаются вторичными физическими величинами, их находят путём вычисления по известным импульсам и энергиям. При этом энергия и импульс оцениваются с помощью лоренцевского фактора  \sqrt{1-V^2/c^2},где скорость  ~Vдвижения объектов всегда предполагается меньшей скорости света.

T-кварк и бозон Хиггса

Самый массивный t-кварк был обнаружен в 1995 г. в экспериментах на коллайдере Тэватрон. При столкновениях протонов и антипротонов с энергией порядка 980 ГэВ на нуклон t-кварк проявился как состояние с энергией 173,1 ГэВ, по его распаду на b-кварк и W– бозон. Энергия 980 ГэВ в 1045 раз превышает энергию покоя протона. Если сделать на звёздной модели вычисления динамического давления в веществе нейтронной звезды и оценить при этом максимальную плотность вещества с помощью (2), из (1) можно найти эффективную скорость частиц этого вещества:

 V_{ms} =1045^{1/5}  C_s = 4 C_s . \qquad\qquad (3)

Следовательно, при столкновениях протонов и антипротонов с энергией порядка 980 ГэВ на нуклон вещество может приобретать скорость порядка  ~V_{m} =4 c . Отношение характерной скорости частиц ~ C_s  в нейтронной звезде к скорости света (как к предельной скорости движения нуклонов в веществе звёзд) является коэффициентом подобия по скоростям  S=\frac {\ C_s }{c} =0,23  (смотри подобие уровней материи). То же самое имеет место и для вещества, находящегося внутри нуклонов. Если характерная скорость движения вещества в нуклоне равна скорости света, то предельная скорость движения частиц этого вещества равна  c_p=\frac {c }{0,23}=4,3c.  Найденная выше скорость ~ V_{m} достаточно близка к скорости ~ c_p , так что появление событий с t-кварками может показывать наличие некоторого граничного состояния взаимодействия частиц этого вещества. [5] Любопытно, что энергия t-кварка почти точно равна сумме энергий W – бозона и Z – бозона.

С помощью соотношения вида (3) можно оценить энергии, требуемые для нуклонов в системе центра масс, такие, чтобы при этом в веществе нуклонов достигались скорости порядка ~ c_p=4,3c. Получается значение 1,4 ТэВ, так что в экспериментах на большом адронном коллайдере, в котором в настоящее время энергии столкновений составляют до 2,36 ТэВ и планируется увеличение до 7 ТэВ в 2015 году, после накопления статистики могут быть обнаружены события, в которых вещество нуклонов начинает взаимодействовать с максимально допустимой для него скоростью.

C 2010 года на детекторах ATLAS и CMS, работающих на большом адронном коллайдере, регистрировались события с возможным появлением бозона Хиггса. Этот бозон является нейтральной скалярной частицей, имеет нулевой спин и положительную чётность. В 2012 году было объявлено, что бозон Хиггса обнаружен с энергий порядка 125 ГэВ. [25]

Тау-лептон

Среди всех лептонов тау-лептон является самым массивным, его энергия равна 1,777 ГэВ, при времени жизни 2,9•10–13 с. Он был обнаружен при столкновениях электронов и позитронов с энергией в системе центра масс более 3,54 ГэВ, когда возникали лептонные пары  τ+  и  τ. Тау-лептоны распадаются либо на тау-лептонное нейтрино плюс адроны типа пионов или ро-мезонов, либо на тау-лептонное нейтрино плюс мюон (электрон) и мюонное (электронное) антинейтрино. [14]

Для объяснения того, как при столкновении электронов и позитронов возникают мюоны и даже пионы, рассматривается максимальное динамическое давление, достигаемое в зоне столкновения. Расчёт показывает, что вблизи энергии в системе центра масс порядка 3,54 ГэВ динамическое давление электронного вещества сравнивается с давлением, существующим внутри мюонов, так что из вещества сталкивающихся электронов и позитронов формируется мюонная фаза вещества. [5] Затем под действием сильной гравитации мюонная фаза объединяется в достаточно массивные объекты типа мюонов и пионов, наблюдаемые в процессах, где возникают состояния, рассматриваемые как тау-лептоны. Таким образом нет необходимости привлекать идею образования кварков, требуемых для образования мезонов при распадах тау-лептонных состояний.

Ответы на вопросы

В рамках модели кварковых квазичастиц проблемные вопросы, стоящие перед теорией кварков и квантовой хромодинамикой, рассматриваются следующим образом:

1) Почему имеется ровно три поколения кварков, так же как и число поколений лептонов? По всей видимости это является простым совпадением, так как других соображений, кроме возможной, но не доказанной симметрии между кварками и лептонами, не видно. С другой стороны, электроны, нейтроны и протоны генетически связаны процессами своего образования (смотри субстанциональная модель электрона). Мюоны на уровне звёзд имеют свои аналоги – белые карлики, содержащие в себе вырожденное вещество из электронов и ионов. Аналогом для нуклонов являются нейтронные звёзды с вырождением их нейтронного вещества. Среди лептонов остаётся ещё тау-лептон, который может быть представлен как состояние, при котором в столкновениях электронов и позитронов рождаются мюоны. Получается, что лептоны скорее коррелируют с нуклонами и с особыми состояниями вещества внутри самих лептонов, чем с кварками как с некоторыми частями адронов. Тогда связь поколений лептонов и кварков становится случайной.

2) Почему элементарные фермионы разбиваются на два вида – лептоны и кварки? Стандартная модель является крайне упрощённой с точки зрения распределения спина в элементарных частицах – им приписывают лишь квантовый спин, полуцелый либо кратный величине постоянной Дирака  ħ, какие-либо промежуточные значения спина не рассматриваются. Согласно субстанциональной модели электрона, полуцелый спин электрона надо понимать как динамический спин, связанный с изменением орбитального момента электрона в атоме за счёт сдвига центра электронного облака от ядра. Из расчётов в [5] квантовый спин мюона выводится через характерную скорость частиц вещества мюона и также близок к величине ħ/2. Это приводит к тому, что лептоны по своему спину относятся к фермионам.

Кварки соотносятся с фермионами и с минимальным спином ħ/2 в связи с необходимостью построения из спинов кварков спинов, наблюдаемых у адронов. Однако в отличие от лептонов как реальных частиц, кварки по своим свойствам, включая их ненаблюдаемость вне адронов, относятся к квазичастицам. Все элементарные частицы можно разделить на три класса – лептоны, адроны и полевые кванты, причём адроны в стандартной теории полагаются состоящими из кварков. Кроме этого, считается, что лептоны не участвуют в сильном взаимодействии, что кардинально отличает их от кварков. Однако с точки зрения сильной гравитации, вещество и лептонов и адронов одинаковым образом участвует в сильном взаимодействии, различие напряжённостей поля лишь количественное и зависит только от различия плотности вещества, но не от массы. Поэтому разделение лептонов и кварков можно считать формальным следствием введения самой идеи кварков.

3) Случайно ли совпадение числа цветов и числа поколений? Скорее всего, это случайное совпадение. Число цветов определилось максимальным числом кварков в барионах, придав кваркам новую степень свободы и заодно связав её с цветовым зарядом как источником сильного взаимодействия кварков. Числа поколений для лептонов и кварков хотя и одинаковы, но по разным причинам. Если цвет зависит от внутренней симметрии адронов, то поколения кварков – от уровня энергии взаимодействия, так что прямая связь между числом цветов и числом поколений не прослеживается.

4) Почему массы кварков не определяются точно? Массы кварков не определяются точно потому, что кварки являются квазичастицами, а не настоящими частицами. Свойства квазичастиц существенно зависят от условий, в которых их наблюдают, а также от самой теории, используемой для их введения и описания. Например, блоковая масса кварка рассматривается в статическом случае, исходя из содержания кварков и глюонов в адронах. Токовая масса отражает превращения кварков в динамическом случае с изменением числа окружающих кварки глюонов и потому сильно отличается от блоковой массы.

5) С чем связан столь большой разброс в массах кварков? В стандартной теории неодинаковость масс кварков приводит к нарушению симметрии взаимодействий и к различию масс адронов в мультиплетах. При этом причиной массы кварков предполагается их взаимодействие с бозонами Хиггса. При таком подходе разнообразие масс кварков остаётся неясным. В теории кварковых квазичастиц кварки рассматриваются как комбинации фаз адронного вещества, присутствующие в нужном количестве в каждом адроне, и вопрос о массах кварках заменяется вопросом о различии масс адронов. В свою очередь, неодинаковость масс адронов объясняется различным количеством участвующих в построении их состояний более простых адронов (обычно нуклонов и пионов) и различной их энергией в составе массивного адрона, включая энергии сильной гравитации, поля кручения и кинетической энергии движения.

6) Что приводит к различию влияния кварков на свойства адронов, кроме массы кварков? В стандартной теории кварки делятся на верхние и нижние, и у каждого типа существует различие между кварками по массе. Кроме этого, кварки имеют собственные внутренние квантовые числа, отличающие их друг от друга (например, странность, очарование, красота, истинность). Получается, что всё различие свойств адронов сводится к массе и свойствам входящих в них кварков. В такой картине, после перехода с уровня адронов на уровень кварков, всё равно остаётся вопрос – что является причиной различия кварков?

7) Из чего состоят кварки? Вопрос о кварковой материи остаётся предметом спекуляций и дискуссионным до сих пор. Предполагается, что столкновения адронов при очень высоких энергиях превращает их вещество в кварк-глюонную плазму, в которой кварки становятся квазисвободными. В стандартной модели кварки и глюоны относятся к числу фундаментальных элементарных частиц. При этом вводятся два типа вакуума, отдельные для кварков и глюонов, электромагнитный вакуум, а также поле Хиггса, придающее массу всем частицам, кроме глюонов и фотонов. В данных вакуумах должны присутствовать виртуальные пары типа кварк-антикварк, глюон-антиглюон, электрон-позитрон, векторные W- и Z-бозоны, а в поле Хиггса – бозоны Хиггса. Кварки и глюоны вне адронов, а также W- и Z-бозоны могут быть только в переходном состоянии, сразу же превращаясь в адроны или другие частицы. Внутри адронов кварки одеты шубами из глюонов и плавают в облаках из виртуальных частиц. Очевидно, что в стандартной модели решить вопрос о составе самих кварков не представляется возможным. Одним из препятствий является также то, что в этой модели внутри адронов допускается неограниченное множество частиц со спином  ħ  для глюонов и ħ/3 для кварков, включая спины виртуальных частиц. Это явным образом противоречит теории бесконечной вложенности материи, в которой каждый объект бесконечно делим, а характерный спин частиц вещества, из которого состоит объект, существенно меньше, чем характерный спин объекта. Между тем в стандартной модели до сих пор считается возможным например, что сильное взаимодействие пионов друг с другом осуществляется снова пионами, но уже виртуальными. Это означает введение идеи самозамыкания взаимодействий множества известных элементарных частиц самого на себя, без необходимости обращения к более глубоким уровням материи, и неизбежно приводит к отсутствию объяснения сущности явлений.

8) Каковы размеры кварков? В попытках отыскать кварки в адронах и разделить их друг от друга используются столкновения частиц высокой энергии. С увеличением энергии частицы могут проникать друг в друга всё глубже и глубже, разбиваясь на части и затем разлетаясь в стороны. Анализ вторичных частиц говорит о том, что кварки, если они существуют, ведут себя подобно точечным частицам. Недавние эксперименты на релятивистском ионном коллайдере в Брукхэвене показали, что вещество нуклонов может нагреваться в столкновениях до 4•1012 градусов. При этом оно ведёт себя подобно жидкости с очень малой вязкостью, [15] отличаясь от свободного газа из кварков и глюонов, предсказываемого хромодинамикой. В отличие от газа, в жидкости существуют силы притяжения, и это свойство притяжения для адронной материи как раз и предсказывается сильной гравитацией. В субстанциональной модели нейтрона вещество адронов, подобно веществу нейтронных звёзд, состоит не из трёх кварков, а из множества мельчайших частиц (праонов), что позволяет им вести себя подобно жидкости с малой вязкостью. Из экспериментов следует также, что сгустки разноимённо заряженных частиц движутся противоположно друг от друга из зоны столкновения, и вращаются в разные стороны соответственно знаку своего заряда, как это бывает в магнитном поле. [16] Это может быть объяснено тем, что возникающие от поля кручения сильной гравитации при быстром вращении частиц силы заметно превышают электромагнитные силы и могут эффективно управлять адронным веществом. [2]

9) Если кварки образовались в начале Большого взрыва, то почему практически не наблюдается антивещество из антикварков? Проблема асимметрии рождения вещества и антивещества в Большом взрыве до сих пор не имеет надёжного решения, впрочем, как и причина Большого взрыва. Достаточно обоснованно подвергается сомнению даже сам факт подобного взрыва, поскольку его следствия могут быть вполне объяснены другими причинами. [17] [2] Соответственно, ответ на поставленный вопрос в стандартной теории отсутствует. Но если Большого взрыва не было, то преобладание вещества над антивеществом может быть объяснено самим ходом закономерной эволюции вещества в космосе. При этом согласно теории бесконечной вложенности материи эволюция вещества на каком-либо уровне материи подготавливается эволюцией вещества на более низких и более высоких масштабных уровнях материи. В результате вещество имеет возможность аккумулироваться под действием фундаментальных сил, а также дробиться в процессах с большим выделением энергии, образуя в итоге лестницу космических уровней материи.

10) При образовании адронов за счёт соединения кварков должна выделяться энергия сильного взаимодействия кварков. В каком виде излучается эта энергия и можно ли её обнаружить? Для объяснения удержания кварков в адронах в стандартной теории обычно вводится потенциал взаимодействия, содержащий два члена. Первый член имеет кулоновский вид и может быть сделан положительным для обеспечения силы отталкивания кварков на самых малых расстояниях (иначе кварки просто сольются). Этот член должен быть пропорционален цветным зарядам и обратно пропорционален расстоянию между кварками. Второй член тоже положительный и прямо пропорционален расстоянию между кварками, возведённому в некоторую степень, отвечая за увеличение силы между кварками при удалении их друг от друга. Первый член имеет обычный потенциальный вид, а второй напоминает энергию растяжения пружины. Предполагается, что роль пружин исполняют глюонные нити между кварками. Если кварки в столкновениях адронов получают большую энергию, они разлетаются, а энергия столкновения конвертируется в энергию глюонных нитей. При превышении некоторого расстояния и предела плотности энергии нити рвутся, а энергия глюонов преобразуется в кварк-антикварковые пары, из которых создаются новые адроны. В момент образования новых адронов кварки неизбежно должны сблизиться и между ними должны возникнуть глюонные связи. Если исходить из аналогии с пружинами, в новом адроне следует ожидать затухающих колебаний кварков с изменением расстояний между ними от минимального до некоторого максимального расстояний. Вопрос тогда в том, куда со временем девается эта энергия колебаний? Можно предположить, что глюонные нити имеют свойство вязкости и всю излишнюю энергию движения кварков забирают себе. Так система из кварков и глюонов с их цветными зарядами замыкается сама на себя и становится ответственной за все силы и явления. Однако возникает новый вопрос – о происхождении самих цветовых зарядов, а также и другие аналогичные вопросы, остающиеся без ответа. В теории бесконечной вложенности материи рассматривается подобие уровней материи и подобие сил, действующих между объектами, независимо от их размеров. При таком подходе не требуется вводить кварки и объяснять их удивительные свойства. Вместо этого рассматриваются только фундаментальные гравитационные и электромагнитные силы, а слабое взаимодействие сводится не к силам, а к трансформации вещества. При образовании любых объектов в фундаментальных полях выделяется энергия связи в виде квантов этих полей. Предполагается, что квантами гравитационного поля, гравитонами, являются нейтрино, излучаемое частицами на разных уровнях материи, причём сами нейтрино рассматриваются как некоторая форма фотонов. [5]

11) Существует ли эволюционный механизм рождения кварков и состоящих из них адронов, не связанный ни с концепцией Большого взрыва, ни с возникновением из других элементарных частиц больших энергий при их столкновениях? В стандартной теории элементарные частицы типа нуклонов и электронов образовались в момент Большого взрыва, причём вначале появилась кварк-глюонная плазма, распадающаяся на адроны и лептоны. Недостатком такого подхода является аналогия с религиозной идеей сотворения мира, причём остаётся непонятным, что было до Большого взрыва. Согласно теории бесконечной вложенности материи, для объяснения возникновения элементарных частиц Большой взрыв не требуется, так как существует единый эволюционный механизм для образования любых космических объектов, независимо от их размеров. Во Вселенной по одним и тем законам действуют фундаментальные силы, за счёт которых возможно образование новых объектов из разрозненного вещества. Предполагается, что всё более и более массивные тела образуются под действием потоков гравитонов в рамках теории гравитации Лесажа. Примером является образование звёзд из газовых облаков. Как звезда достаточной массы при взрыве сверхновой может породить нейтронную звезду, так и связанное под действием сильной гравитации вещество может преобразоваться в конце концов в нуклоны. Отдельные объекты могут появиться также и при дроблении системы из множества связанных объектов.

12) В чём причина ненаблюдаемости свободных кварков? Точная причина неизвестна, но это является одним из подтверждений того, что кварки есть не настоящие частицы, а квазичастицы.

13) Что заставляет распадаться массивные кварки на менее массивные и стабильные кварки? От чего зависит характерное время такого распада? Поскольку свойства кварков ввиду их ненаблюдаемости выводятся из свойств адронов, то из распадов практически всех адронов (кроме протона) следует необходимость распадов кварков. В стандартной теории кварки полагаются реальными частицами, основные свойства которых, включая неустойчивость кварков в отношении распадов, остаются непонятными. Если же считать кварки квазичастицами, то причину распадов адронов надо искать не в кварках, а во взаимодействиях друг с другом простых адронов типа нуклонов и пионов, входящих в состав многих массивных адронных состояний, и в трансформации вещества этих простых адронов, с учётом их электрических зарядов и поля сильной гравитации.

14) Какова связь между глюонным полем, обеспечивающим сильное взаимодействие кварков, с электромагнитным и гравитационным полями кварков? На уровне элементарных частиц в стандартной теории обычно учитывают три вида взаимодействия – сильное, слабое и электромагнитное. Ввиду малой массы кварков их гравитационным взаимодействием пренебрегают. Если для сильного взаимодействия кварков, включая изменение их цветового заряда или удержание в адроне, требуются глюоны, то для изменения аромата кварка в слабом распаде необходимы заряженные W-бозоны. Кварки имеют заряд, распадаются на другие кварки и W-бозоны и участвуют вместе с этими бозонами в электромагнитном взаимодействии. Глюоны сами по себе не имеют электрического заряда и прямо не связаны с электромагнитным полем, но тем не менее могут порождать пары кварк-антикварк, несущие заряд. Это возможно за счёт принятого в стандартной теории положения о том, что энергия а) может превращаться в массу; б) лишь в виде частица-античастица. Однако превращение энергии в массу противоречит закону сохранения количества вещества, входящего в закон сохранения и изменения носителей, описанному в статье законы философии. С другой стороны, в теории бесконечной вложенности материи сильное взаимодействие связывается в основном с сильной гравитацией и с полями гравитационного кручения, а не с глюонным полем. В свою очередь гравитация, включая сильную гравитацию, а также и слабое взаимодействие, объясняются как следствие электромагнитных излучений на низших пространственных уровнях материи. [5]

15) Как лептоны, в стандартной теории никак не участвующие в сильном взаимодействии, могут порождать при своих столкновениях кварки и адроны – объекты сильного взаимодействия? Согласно теории сильной гравитации, она является основной частью сильного взаимодействия. Кроме этого, в сильное взаимодействие вносят вклад силы от полей гравитационного кручения и электромагнитные силы, действующие между частицами. Как и обычная гравитация, сильная гравитация ответственна за целостность элементарных частиц и притяжение их вещества независимо от того, входит ли это вещество в состав адронов или лептонов (типа электронов и мюонов). Поэтому сильное взаимодействие должно иметь место и для лептонов, хотя у электронов оно во много раз слабее электромагнитного взаимодействия из-за малого отношения массы к заряду. Однако уже при взаимодействии двух мюонов между собой действие сильной гравитации превышает электрическую силу в 23 раза, что приводит к подобию взаимодействия между мюонами и между адронами. Так, в 2005 г. в научном центре Фермилаб было исследовано состояние димюония с энергией 214,3 МэВ, распадающееся на положительный и отрицательный мюоны. [18] Как было описано выше для тау-лептона, при столкновениях электронов и позитронов достаточной энергии из вещества этих лептонов под действием сильной гравитации возникает мюонная, а также и пионная фазы вещества. Высокая плотность вещества мюонной и пионной фаз достигается за счёт энергии столкновения. На уровне звёзд это соответствует переходу вещества планет при столкновениях с релятивистскими скоростями в состояние вещества белых карликов, а затем при слиянии белых карликов и в состояние вещества нейтронных звёзд.

16) Почему преобладают мезоны из двух кварков и барионы из трёх кварков, а не адроны из произвольного количества кварков? С точки зрения спиновой симметрии, все частицы обладают либо целым спином (это бозоны), либо полуцелым спином, как фермионы. Соответственно при взаимодействиях элементарных частиц могут получаться либо мезоны с целым спином, либо барионы с полуцелым спином. Если считать, что кварки имеют спин ½, то два кварка всегда дают целый спин, а три кварка – полуцелый спин. Учёт орбитальных моментов импульса, кратных целому числу в единицах постоянной Дирака, не меняет барионный или мезонный статус частиц. Поэтому в простейшем случае достаточно положить, что все мезоны состоят из двух кварков, а барионы – из трёх кварков. Это позволяет охватить все возможные адроны, и частицы из произвольного количества кварков в стандартной теории становятся просто ненужными. Однако если предположить, что разделение всех частиц по признаку целого или нецелого спина условно и что существуют адронные состояния с промежуточными значениями спина, то тогда условной становится и сама идея кварков с их полуцелым спином. В таком случае требуемый спин отдельных кварков должен уменьшиться, а возможное количество кварков в адронах возрасти. На то, что кварковый подход для объяснения состава мезонов и барионов является упрощенным, указывают состояния с несогласующимися и противоречивыми квантовыми числами, периодически обнаруживаемые в разных массовых диапазонах. Одним из недавних примеров является рождение неучтённых мюонных струй на коллайдере Тэватрон в протон-антипротонных столкновениях при полной энергии 1,96 ГэВ. [19] В столкновениях с протонами давно обнаруживаются не только неучтённые барионные, но и мезонные состояния, например с энергиями 62 МэВ, 80 МэВ, 100 МэВ и т.д. [20]

17) Какой смысл имеют наблюдаемые экзотичные адроны, не укладывающиеся в стандартную кварковую схему из-за неоднозначности разбиения на кварки? Такая ситуация возникает вероятно из-за неполноты кварковой теории, рассматривающей частицы как действительные комплексы из двух или трёх кварков. Однако если кварки являются лишь квазичастицами, косвенно отражающими симметрии взаимодействия частиц, то многие адронные состояния вместо проявления определённой симметрии будут давать квазисимметрии, не совпадающие с идеей кварков.

Например, имеются сообщения об обнаружении адронов, состоящих из четырёх и пяти кварков, кроме этого, предполагается существование глюболлов – частиц, в которых главную роль играют не кварки, а глюоны G. [7] Так, в экспериментах с отрицательными пионами и протонами при энергиях 18 ГэВ были получены мезоны π1(1400) и π1(1600) с квантовыми числами JPC = 1–+. Анализ экспериментов показывает, что π1(1400) выглядит как некоторое четырёхкварковое состояние типа qqqq, а π1(1600) является гибридом кварков и глюонов вида qqG. В пользу многокварковых состояний говорит и обнаруженный заряженный мезон Z±(4430), который мог бы иметь структуру вида  cu \bar {c} \bar {d} , cd \bar {c} \bar {s} , или cu \bar {c} \bar {s} .[21]

К барионным резонансам – кандидатам в пятикварковые состояния (пентакварки) относятся Φ(1860) с шириной уровня менее 18 МэВ и вероятным кварковым составом  ssdd \bar {u}, Θ+(1540)  с массой 1533,6 МэВ и шириной уровня 0,9 МэВ, [22] а также  Θ0c(3100)  с предполагаемым кварковым составом uudd \bar {c}.

Такая известная организация, как Particle Data Group, давно занимается сбором данных о свойствах элементарных частиц и их ежегодным обновлением. Она собрала внушительную коллекцию ссылок на экспериментальные работы, согласно которым обнаруживается множество состояний частиц, явно не вписывающихся в стандартную кварковую модель. [23]

18) Что мешает виртуальным кваркам из моря кварков соединяться, наподобие валентных кварков, и образовывать новые адроны, создавая тем самым мезоны, нуклоны и вещество? Согласно стандартной модели, кварк или глюон, обладающие цветовым зарядом, при наличии у них избыточной энергии могут передать эту энергию морю кварков с рождением реальной кварк-антикварковой пары. Таким образом, допускается процесс образования вещества из энергии. Противоречие философского плана здесь в том, что энергия есть характеристика, качество вещества, которое соответственно не может порождать вещество без участия какого-то другого источника вещества. Если считать источником вещества виртуальные частицы, то они должны обладать свойствами реального вещества для того, чтобы рождать реальные частицы. В таком случае как может это виртуальное вещество быть скрытым от наблюдения в эксперименте? Очевидно, что поставленный вопрос не имеет решения и можно только гадать, каков механизм перевода вещества из статуса виртуального в реальное, почему море кварков и антикварков не исчезает в процессе самоаннигиляции или спонтанно не порождает адроны. Избежать противоречий можно в теории бесконечной вложенности материи, в которой вместо моря кварков (кваркового вакуума), глюонного вакуума или электромагнитного вакуума и т.д. существует множество источников реального вещества, каждый из которых является одним из уровней материи, вложенных друг в друга.

19) Каков механизм, удерживающий от аннигиляции кварки и антикварки одного или разных ароматов в некоторых мезонах? Некоторые адроны состоят из кварка и антикварка одного аромата, например: ηc с энергией 2980,5 МэВ и составом из очарованного c-кварка и c-антикварка, и χb с энергией 9859,44 МэВ и составом из красивого b-кварка и b-антикварка (смотри кварконий). Другие адроны предполагаются состоящими из комбинаций пар кварков и антикварков одного аромата, в виде квантовых суперпозиций этих пар. Распад кваркония в виде чармония и боттомия рассматривается подобно распаду позитрония, связанного состояния электрона и его античастицы – позитрона, существующего до момента их аннигиляции. В связи с отсутствием в стандартной теории чёткого обоснования взаимодействия между кварками, с учётом происхождения и сущности их цветовых зарядов, проблема аннигиляции полностью решена быть не может.

20) Существует ли связь между симметрией кварков, приводящей к объединению адронов в мультиплеты и супермультиплеты, и семействами Чу-Фраучи, построенных исходя из зависимости между спинами и квадратом массы адронов? В мультиплеты адронов входят частицы приблизительно одинаковой массы с одинаковым спином и внутренней чётностью, но с различными электрическими зарядами и внутренними квантовыми числами наподобие странности. Эти мультиплеты отражают комбинаторику кварков при неизменном спине адронов. Если же рассматривать адроны одного и того типа с их резонансными состояниями, то на плоскости спин – квадрат массы получаются гладкие кривые. Они оказываются приблизительно параллельными для разных типов адронов, включая даже мезоны и барионы. Причина параллельности кривых, так называемых графиков Чу-Фраучи, в стандартной теории неизвестна, так же как и связь с кварками и с мультиплетами. Если же анализировать зависимости спина адронов от квадрата их массы с помощью сильной гравитации, то находится формула для наклона графиков Чу-Фраучи, который получается совпадающим с экспериментальными значениями. [2] Для резонансов показывается, что их спин связан не с предельным вращением адронов как некоторых сфер, а скорее с орбитальным моментом частиц, из которых образуется резонанс. Простые мультиплеты также могут быть поняты не как следствие симметрии uds-кварков, а как результат комбинаций α – фазы и β – фазы адронного вещества, входящих в состав нуклонов и пионов, со свойством соединения этих частиц в адронные состояния, характерные для странных частиц. [5]

21) Как сильное взаимодействие между кварками внутри адронов переходит в сильное взаимодействие кварков между адронами, например в атомном ядре? В качестве модели взаимодействия кварков внутри адронов часто используются глюонные нити, соединяющие кварки и не дающие им покинуть адрон. Считается, что потенциал такого взаимодействия является короткодействующим. Это означает, что если кварк извне получит достаточную энергию и вылетит из адрона, то плотность энергии глюонной нити в некоторый момент превысит предельное значение, нить рвётся с образованием из глюонов пары кварк-антикварк, после чего происходит адронизация всех кварков в новые адроны. Проблема с сильным взаимодействием между адронами вытекает из того, что кварки и глюоны в невозбуждённом состоянии не покидают адроны из-за удержания цвета. Как же тогда устанавливаются глюонные связи между кварками различных адронов, необходимые для сильного взаимодействия между адронами? В этом случае в стандартной теории привлекается идея использования не глюонов, а целых адронов (чаще всего пионов) в качестве квантов поля сильного взаимодействия. Данная идея не нова, так как копирует квантовую теорию, в которой электромагнитные взаимодействия между зарядами осуществляются посредством фотонов. Существенная разница имеется однако в том, что электромагнитное взаимодействие заведомо является потенциальным (работа в поле зависит только от начальной и конечной точек, но не от пути переноса заряда), а для сильного взаимодействия посредством обмена адронами или глюонами это не доказано. Кроме этого, фотоны имеют нулевую массу и радиус их действия не ограничен, тогда как пионы имеют значительную массу. Так как между взаимодействующими адронами нет реальных пионов, предполагается, что сильное взаимодействие осуществляется виртуальными пионами, а также и другими адронами с разной степенью их вклада во взаимодействие. Из этого видно, что сильное взаимодействие между адронами сводится снова к самим адронам, так что происходит недопустимое с точки зрения философии самозамыкание теории и отсутствие сущностного объяснения явлений. Ситуация меняется при использовании теории сильной гравитации, в которой сильное взаимодействие и между адронами и в веществе адронов происходит по одним и тем же законам.

22) Можно ли в рамках квантовой хромодинамики вывести из первых принципов описание взаимодействия кварков, приводящего к конфайнменту? До сих пор это не сделано, так как сами первые принципы в отношении кварков являются вторичными – они выводятся из свойств адронов, а не из свойств кварков как таковых, вследствие ненаблюдаемости кварков. Кроме этого, в модели кварковых квазичастиц определение взаимодействий кварков теряет смысл первичной сущности и может быть использовано лишь для качественных оценок взаимодействий, но не точных предсказаний.

23) Каким образом осесимметричность свойств адронов относительно выделенного направления возникает из дискретной симметрии кварковой структуры адрона (два кварка внутри мезонов и три кварка внутри барионов)? Рассмотрим положительный пион, состоящий из u-кварка с зарядом (⅔ e) и d-антикварка с зарядом (⅓ e), где eэлементарный заряд. Блоковые массы-энергии этих кварков, исходя из их содержания в нуклоне, приблизительно одинаковы и равны 310 MэВ. Однако их токовые массы-энергии, проявляющиеся во взаимодействиях с другими адронами, различны и значительно меньше – порядка 3 МэВ и 5 МэВ соответственно. Масса-энергия пиона равна 139,567 МэВ, что придаёт массам кварков блоковые значения не более 70 МэВ. Вследствие этого предполагается, что основную долю массы адронов должны нести глюоны, а не сами кварки.

С другой стороны, спин адрона определяется спинами кварков. Так, в пионе спины кварков должны быть противоположны, давая нулевой спин (при условии, что орбитальное движение кварков отсутствует). В связи с этим возникает вопрос – как могут почти точечные кварки со своей небольшой массой обладать спином, равным ħ/2 ? Этот спин настолько велик, что даже у гораздо более массивного протона, взятого в виде однородно заполненного веществом шара радиуса 0,87 Фм, при таком спине на экваторе скорость вращения вещества достигает значения 0,26 от скорости света. Для кварка в таком случае экваториальная скорость будет намного больше скорости света, что не имеет никакого объяснения. Ситуация напоминает положение с электроном, спин которого в рамках квантовой механики также не имеет рационального объяснения и лишь постулируется. Альтернативное решение для спина электрона находится в субстанциональной модели электрона, аналогично следует ожидать иного решения для спина кварков и адронов. В частности расчёт квантового спина пиона показывает его малое, но не равное нулю значение, без использования концепции кварков. [5]

С точки зрения соединения кварков в адронах возникают и другие вопросы. Например, что поддерживает направление спинов кварков всё время так, чтобы их сумма давала спин адрона? Почему спинам кварков в основном состоянии пиона выгоднее быть противоположно направленными? Можно предположить, что между кварками должны быть спин-спиновые силы для ориентации спинов в том или ином направлении и поддержания их в этом состоянии. Однако в простой модели обмена глюонами между кварками подобные силы не предусматриваются. У пиона ввиду отсутствия у него спина не должно быть магнитного момента. Так как оба кварка пиона не совпадают по массе и различаются по заряду в два раза, то остаётся непонятным, каким образом спины этих кварков генерируют точно одинаковые и противоположно направленные магнитные моменты. Причём эти магнитные моменты должны быть значительны по величине, на что указывает магнитный момент протона, проистекающий из трёх кварков.

В барионах содержится уже не два, а три кварка, и в отличие от абстрактной теории, на практике возникает задача определения их расположения в пространстве друг относительно друга. Например, в протоне должны быть кварки в некоторой комбинации uud. Должны ли они располагаться на одной оси или лежать в плоскости так, чтобы их спины были перпендикулярны этой плоскости? Или кварки могут свободно двигаться друг относительно друга? В стандартной модели ответов на подобные вопросы нет ввиду неполноты теории, вытекающей из симметрии адронов, но не из их сущностной модели.

24) При столкновениях частиц высоких энергий должны образовываться новые кварк-антикварковые пары, которые разделяются и входят в новые адроны в процессах со множественным рождением частиц. Как цветные кварки (антикварки) собираются в новые частицы с учётом того, чтобы эти частицы всегда были бесцветны, а число кварков в них всегда было бы таким, какое требуется для мезонов и барионов (проблема адронизации)? Формально при образовании и последующем разделении кварк-антикварковой пары кварк (и антикварк) посредством глюонов могут образовывать новые кварк-антикварковые пары, которые затем каким-то образом, с учётом их цветовых зарядов собираются вместе и образуют адроны. Адронизация струй, порождённых начальными кварками, называется фрагментацией. В ходе фрагментации цветовой заряд первоначального кварка или глюона при соединении со вторичными кварками должен обесцветиться. Так ожидается в теории исходя из симметрии свойств адронов и предполагаемых в них кварков, однако конкретный механизм явления фрагментации отсутствует.

25) Почему адронные состояния, образуемые разными способами, но имеющие одинаковые распады, отличаются друг от друга по своей энергии? Пример: а) Резонанс Δ (1232), возникающий при рассеянии пионов на нуклонах и распадающийся на нуклон и пион; б) Взаимодействие гамма-кванта с энергией 300 МэВ с неподвижным протоном приводит к образованию нейтрона и пиона с инвариантной энергией состояния 1200 МэВ; в) Рассеяние протонов на протонах даёт целый ряд узких резонансов, таких как 1004 МэВ, 1044 МэВ, 1094 МэВ, 1136 МэВ, 1173 МэВ, 1210 МэВ, 1249 МэВ и т.д. [24] В стандартной теории адронные состояния связываются с набором кварков, находящихся в определённых квантовых состояниях, независимо от способа их образования. В таком случае наблюдаемое различие энергий требует дополнительного обоснования и моделируется различными приближениями. Если же в балансе энергий адронного состояния учитывать не только энергию согласно определению специальной теории относительности, но ещё и сильную гравитацию, то ввиду разных вкладов в баланс энергии в разных способах образования адронов неизбежно возникает различие энергии состояний, что и наблюдается. [5]

26) Как понимать то, что в стандартной теории некоторые адроны должны состоять не просто из определённого набора двух или трёх валентных кварков (и неопределённого количества виртуальных кварков и глюонов), а считаются квантовыми суперпозициями валентных кварков, в которых имеются различные доли присутствия комбинаций тех или иных кварков, а значит и дробное в среднем по времени присутствие кварков? Примерами подобных адронов полагаются Λ-гиперон с энергией 1115,68 МэВ и нейтральный Σ-гиперон с энергией 1192,6 МэВ, состоящие из двух троек кварков вида uds ± dus  в разных состояниях, а также нейтральный пион с энергией 134,97 МэВ и мезон  η  с энергией 547,8 МэВ, состоящие из пар кварк-антикварк u, d, s -кварков. Это является следствием квантово-волнового подхода и применения унитарной симметрии для разбиения частиц на мультиплеты, когда допускаются различные сочетания волновых функций кварков и их комбинаций. Если придерживаться вероятностного подхода, общепринятого в квантовой механике, то получается например, что некоторый взятый наугад нейтральный пион может оказаться парой кварк-антикварк типа u, а другой такой же пион – парой кварк-антикварк типа d. При этом данные пары кварков внутри пионов должны периодически аннигилировать, переходя друг в друга. Ситуация в странном мезоне  η  ещё более сложная, так как в нём допускается существование трёх пар кварк-антикварк, аннигилирующих и превращающихся друг в друга. С физической точки зрения смысл суперпозиций состояний кварков в одних адронах, и их отсутствие у других адронов не очень ясен. Конкретный механизм для реализации гипотетических осцилляций кварковых пар в мезонах и троек кварков в барионах, и доказательства существования самих кварковых суперпозиций требуют более полного теоретического обоснования и экспериментального подтверждения.

Интерпретация квантовых чисел кварков

У элементарных частиц имеется ряд квантовых чисел, некоторые из которых присущи только адронам и кваркам. Например, барионное число кварков равно ⅓ , у барионов равно 1, а у остальных частиц, включая мезоны, барионное число равно нулю. Можно предположить, что за сохранение барионного числа ответственны центральные части барионов, их ядра, не изменяющиеся и не разрушающиеся ни в одной известной реакции, кроме аннигиляции барионов и антибарионов. В реакциях с барионами изменяются масса, заряд и другие свойства оболочек барионов, но не их ядра. В таком случае ядра всех барионов состоят из вещества α – фазы, присущей ядрам нейтрона и протона. В состоянии α – фазы вещество максимально упорядочено магнитными полями и полями кручения и потому стабильно, приводя к сохранению барионного числа. У мезонов отсутствуют устойчивые барионные ядра, так что при взаимодействии с нуклонами сохраняются только ядра нуклонов и их суммарное барионное число. В представленной выше таблице мезонов для каона K+ был приведён состав вещества в виде α – фазы. Это следовало из теории кварковых квазичастиц и представления о том, что все кварки формально могут быть представлены как определённые комбинации двух фаз адронного вещества. Однако этого ещё не достаточно для присвоения частице ненулевого барионного числа. Например, каоны можно считать комплексами из трёх пионов, у каждого их которых и у самого каона барионное число равно нулю.

Изоспиновое квантовое число (изотопический спин)  I  определяет число 2I +1 зарядовых состояний, присущих адронам одного типа и входящих в соответствующий изоспиновый мультиплет. У нуклонов I = ½  и имеются два изоспиновых состояния – протон и нейтрон. Изоспин пионов равен 1, соответствуя трём зарядовым состояниям пионов. Взаимодействие пионов с нуклонами может дать не более четырёх зарядовых состояний, что выражается в изоспине, равном 3/2 для резонансов Δ. По аналогии с изоспином адронов, отражающим независимость сильного взаимодействия от заряда частиц и величины их электромагнитного взаимодействия, для кварков также вводится слабый изоспин, различающий три верхних кварка, и три нижних кварка. Это означает, что превращения или распады в процессах слабого взаимодействия кварков одного типа возможны только на кварки другого типа (верхние превращаются в нижние, и наоборот). Сильный и слабый изоспины первоначально вводились для нуклонов и составляющих их кварков. Так как кварковый состав протона uud, а кварковый состав нейтрона udd, то замена кварка u на кварк d (или наоборот) меняла нуклон одного вида на другой нуклон. Отсюда видно, что слабый изоспин кварков тесно связан с сильным изоспином адронов, подобно связи частей со своим целым. В субстанциональной модели нейтрона бета-распад нейтрона и превращение его в протон происходит в результате трансформации вещества нейтрона под действием слабого взаимодействия, сопровождаемой перестройкой внутренних потоков электрического и магнитного полей. Поэтому слабый изоспин как бы подчёркивает относительную независимость реакций слабого взаимодействия, происходящих в веществе адронов, от сильного и электромагнитного взаимодействий в этом веществе.

Квантовые числа кварков, связанные с их спином и зарядом, целиком определяются и вытекают из количественного кваркового состава и спинов мезонов и барионов. Что касается масс кварков, то они не определяются точно ни в кварковой модели, ни в модели кварковых квазичастиц, придавая кваркам свойства квазичастиц. Рассмотрим теперь отличия одних кварков от других, определяемые таким свойством, как аромат. Существует четыре типа (ароматов) кварков: s, c, b, t, с которыми связаны квантовые числа странности s, очарования c, прелести (боттомности, красота) b, истинности (топности) t. Для кварков u, d особых квантовых чисел, связанных с ароматом, не предполагается.

В модели кварковых квазичастиц все кварки и адроны выражаются как сочетания двух фаз адронного вещества. Это позволяет приблизиться к представлению о возможной структуре вещества адронов и показывает, что кварки являются материальным представлением симметрии, присущей адронам и их резонансным состояниям. В частности, различие свойств адронов может быть из-за разного количества входящего в них адронного вещества в двух его состояниях (α–фаза и β–фаза), имеющего возможность быть по разному заряженным и намагниченным по отношению друг к другу, и находящегося в различных пространственных конфигурациях. Последнее важно для странных адронов, в которых имеется наличие хотя бы одного s-кварка. Как было показано в разделе о странных адронах, наличие s-кварка в адроне можно трактовать как указание на то, что в данном адроне осуществляется некоторое квазиравновесное пространственно разделённое состояние, которое раскладывается на более простые адроны. Большое время жизни странных частиц вытекает из способа их образования, устойчивость частиц достигается благодаря действию сильной гравитации и сил от полей кручения частиц.

Массивные очарованные и красивые адроны отличаются от обычных странных адронов более сложным составом входящих в них частиц, а также увеличенной энергией их взаимодействия. Возникающие при больших энергиях адронные состояния с t-кварками существуют так недолго, что t-кварк успевает распасться на менее массивный b-кварк, прежде чем войдёт в состав какого-либо адрона. В некотором смысле t-кварк похож на промежуточную виртуальную частицу. В модели кварковых квазичастиц t-кварк интерпретируется как проявление такого состояния адронного вещества, при котором в нём достигаются пороговые скорости движения, близкие к предельно допустимым для этого вещества.

Ещё одна квантовая характеристика кварков, цветовой заряд (цвет), появился для объяснения резонанса Δ++, в котором три кварка uuu должны быть в одном и том же состоянии, противореча принципу Паули для фермионов. Отсюда получается, что максимальное число различных цветовых зарядов должно быть таким же, как максимальное количество находящихся в адроне валентных кварков, то есть три кварка (в барионах), и три цвета. В отличие от изоспина, описываемого группой симметрии SU(2), вращение в цветовом пространстве образует группу SU(3). На основе цветового заряда обосновывается сильное взаимодействие кварков в адронах, получающееся как результат обмена цветными глюонами между кварками, приводящим к изменению цветового заряда и возникновению сил притяжения. Однако идея силового взаимодействия между кварками посредством обмена глюонами, напоминающая квантовомеханическую схему взаимодействия между электрическим зарядами посредством обмена фотонами, входит в противоречие с законом сохранения импульса, так как два тела, обменивающиеся между собой нейтральными частицами, могут только отталкиваться.

Кроме специфических квантовых чисел кварков, в квантовой хромодинамике присутствует множество гипотез и вспомогательных величин, оказывающихся необходимыми для теоретического обоснования теории и согласования с экспериментом. Можно упомянуть о предполагаемых нарушениях симметрии взаимодействия кварков за счёт различия масс кварков, приводящих к сильному различию масс адронов в каждом мультиплете, а также к идее суперпозиции нейтральных пар кварк-антикварк для представления кварковой структуры некоторых адронов (данные пары за счёт сильного взаимодействия должны периодически аннигилировать, переходя друг в друга). Для подгонки теоретических результатов к эксперименту вводятся различные углы смешивания в волновых функциях, множество постоянных коэффициентов в членах, предположительно ответственных за те или иные эффекты.

Исходя из симметрии цвета, постулируется существование восьми разноцветных видов глюонов таких, чтобы они могли при обмене с кварками менять их цветовой заряд, не меняя аромат кварка. Уникальные свойства глюонов таковы, что они неся цветовой заряд, могут взаимодействовать не только с кварками, но и друг с другом, что совсем не понятно, если полагать глюоны безмассовыми волновыми квантами. В таком случае, не проще было бы отказаться от кварков вообще, заменив их просто глюонами? Правда в этом случае массы адронов целиком бы сводились к массе-энергии безмассовых глюонов, и вещество становилось бы просто проявлением поля. Как бы то ни было, предполагаемое сильное взаимодействие глюонов между собой есть не что иное, как предельная абсолютизация идеи де-Бройля, по которой осуществляется корпускулярно-волновой дуализм элементарных частиц. При таком дуализме фотоны, например, переносят энергию и импульс и тем самым имеют свойства корпускул как частиц вещества, но не переносят электрический заряд, участвуют в электромагнитном и в гравитационном взаимодействиях, но не в сильном или слабом взаимодействии. Отличие же глюонов от корпускул типа кварков только в том, что глюоны имеют нулевую массу покоя, да ещё восемь типов зарядов. Мало кто из физиков верит в полный корпускулярно-волновой дуализм между частицами вещества и квантами поля уже на уровне микрочастиц, полагая его справедливым отчасти, лишь в отношении волн де Бройля и формул для энергии-импульса специальной теории относительности. Соответственно идея глюонов, ещё более приближающихся по своим свойствам к частицам, воспринимается с недоверием и с изрядной долей скептицизма.

Совершенно необычной является гипотеза удержания цвета у кварков и глюонов, поскольку непонятно, как цветовой заряд мог оказаться одновременно и у кварков как частиц вещества, и у безмассовых глюонов как квантов поля. В результате наблюдается так называемый конфайнмент и отсутствие в природе свободных кварков и глюонов. С другой стороны, с точки зрения эксперимента кварки являются точечными (менее 10–18 м) бесструктурными образованиями внутри адронов, хотя сами адроны имеют радиус порядка 10–15 м. Чем же должно быть тогда заполнено пространство внутри адрона, и должен ли он мыслиться как почти полностью пустой? Предполагается, что кварки должны быть окружены облаками из виртуальных кварк-антикварковых пар, то же относится и к глюонам, тем самым вводятся кварковый и глюонный вакуумы. Получается, что адроны заполнены в основном ненаблюдаемыми явно виртуальными частицами. Такая картина однозначно противоречит бесконечной вложенности материи и теории подобия уровней материи, в которых каждому адрону можно поставить в соответствие наглядные модели на каждом уровне материи, в том числе на уровне звёзд. В частности, в нейтронной звезде как в аналоге нуклона нет необходимости искать объекты наподобие кварков или глюонов, так как физическое строение звёзд известно достаточно хорошо.

Кроме кварков и глюонов, в квантовой хромодинамике для объяснения слабых распадов кварков и преобразования их ароматов оказываются необходимыми массивные векторные W- и Z-бозоны. Хотя они считаются квантами – переносчиками слабого взаимодействия, они имеют ненулевую массу покоя, обеспечивающую очень малый радиус слабого взаимодействия. Заряженные векторные бозоны могут менять электрический заряд испускающего их кварка на единицу элементарного заряда, а также меняют спин на величину ħ. При испускании такого бозона кварк меняет свой аромат, а бозон распадается на лептон и нейтрино либо на кварк и антикварк. Приобретение массы векторными бозонами полагается вследствие нарушения теоретически предполагаемой электрослабой симметрии – все известные частицы в принципе не должны иметь массу, подобно глюону, кроме гипотетического бозона Хиггса. Но в реальном мире симметрия спонтанно нарушается, и лептоны, кварки и векторные бозоны приобретают массу при взаимодействии с хиггсовскими бозонами.

Как видно, в стандартной теории всё-таки сводят массу к энергии, а частицы вещества – к квантам поля, полагая последние первичными. Это положение противоречит философской основе строения материи и теории бесконечной вложенности материи. Кроме того, для объяснения слабого взаимодействия, с короткодействующими массивными векторными бозонами согласно стандартной теории, имеется и другой подход. Согласно нему, слабое взаимодействие есть в сущности не силовое взаимодействие, подобное гравитационному или электромагнитному, а результат долговременного превращения вещества элементарных частиц. На уровне звёзд это соответствует фазовым переходам в веществе звёзд, наподобие превращения вещества обычной звезды в вещество белых карликов и нейтронных звёзд, и обратные превращения этого вещества при массах звёзд, выходящих за пределы устойчивости вещества в поле гравитации. Такие переходы сопровождаются распадом звёздных объектов, выбросом оболочек и излучением нейтрино, соответствуя аналогичным процессам в слабых распадах элементарных частиц. Основную роль в указанных фазовых переходах в веществе звёзд играют реакции с элементарными частицами и ядерные реакции с излучением лептонов и нейтрино, нарушения баланса сил гравитации и давления в веществе. Поэтому слабое взаимодействие адронов и лептонов можно свести снова к слабому взаимодействию и неустойчивости вещества, но уже на более низком уровне вещества самих элементарных частиц. [2] В таком случае слабое взаимодействие не является полевым, так что для его описания на самом деле не требуется вводить какие-то особые полевые кванты. Но если ввести чисто формально полевые кванты слабого взаимодействия, такие как калибровочные W- и Z-бозоны, то у них соответственно появляются различные удивительные свойства, наподобие массы. Кроме этого, становится необходимым постулировать нарушение электрослабой симметрии, а также вводить механизм Хиггса.

Симметрии адронов как причина идеи кварков

Поскольку в ряде случаев при описании свойств адронов имеются альтернативные модели и нет необходимости привлечения идеи кварков, то можно предположить, что кварки являются не настоящими частицами внутри адронов, а некоторыми квазичастицами, воспроизводящими физические закономерности и свойства симметрии, присущие адронам.

В частности при образовании адронов в реакциях взаимодействия элементарных частиц необходимо учитывать следующие факторы:

  1. Закон сохранения количества вещества, вытекающий из закона сохранения и изменения носителей.
  2. Закон сохранения массы-энергии взаимодействующих частиц.
  3. Закон сохранения импульса.
  4. Закон сохранения момента импульса с учётом преобразования линейного импульса частиц в квантованный момент импульса результирующего состояния, при условии ограниченного радиусами частиц прицельного расстояния.
  5. Закон сохранения электрического заряда.
  6. Неэквивалентность сложения и вычитания орбитального момента импульса с точки зрения преобразования энергии движения и вращения во внутреннюю энергию частиц, что приводит к отличиям возникающих состояний.
  7. Сочетания различных состояний адронного вещества взаимодействующих частиц, зависящих в свою очередь от электромагнитной упорядоченности этого вещества (магнитные моменты, заряды, токи в веществе, их ориентация относительно спина).
  8. Возможность соединения частиц подобно тому, как это происходит в атомном ядре.

Дополнительными факторами, усложняющими внутреннюю структуру адронов, могут быть следующие:

  1. сверхпроводящие слои и оболочки, разделяющие разные фазы вещества друг от друга или существующие в них;
  2. электрические токи, протекающие в оболочках и создающие дополнительные магнитные моменты;
  3. взаимодействие между магнитными моментами от различных фаз вещества и от токов;
  4. передача момента импульса посредством магнитного поля и гравитационного поля кручения;
  5. гиромагнитные и магнитоиндукционные эффекты при взаимодействии частиц;
  6. взаимодействие электрических зарядов, как в веществе адронов, так и между ними;
  7. предельное и сверхпредельное вращение, приводящее к неустойчивости относительно вращения и к разделению резонансов на более мелкие адроны;
  8. неустойчивости вещества под действием сильногравитационных и электромагнитных сил, вследствие протекания в веществе реакций сильного, электромагнитного и слабого взаимодействий.

Значительная часть адронов, обнаруживаемая в экспериментах, является связанными состояниями маломассивных адронов, таких как нуклоны и пионы. Некоторые из этих состояний можно назвать динамически связанными, поскольку в них время взаимодействия практически равно времени пролёта частиц друг возле друга. К динамическим состояниям относятся почти все резонансные состояния адронов. Типичным примером являются барионы N и Δ, как результат взаимодействия между нуклонами и мезонами типа пионов и каонов, и мезоны типа f и ρ как двухпионные состояния. Благодаря малости электромагнитного взаимодействия по сравнению с сильным взаимодействием, реализуется симметрия относительно заряда одинаковых адронов, в виде изотопической инвариантности (изоспина).

Другая симметрия, связанная с независимостью слабого взаимодействия в веществе адронов по отношению к сильному взаимодействию (формирующему адроны под действием сильной гравитации) и к электромагнитному взаимодействию (придающему заряды и магнитные моменты адронам), находит своё отражение в концепции слабого изоспина кварков. К особым свойствам адронов следует отнести также квантованность их свойств и дискретность их состояний. Как правило, квантованность и дискретность вытекают из способов образования адронов, поведения их вещества в фундаментальных физических полях. Характерным примером являются нейтронные звёзды, являющиеся аналогами нуклонов на звёздном уровне материи. Способ образования нейтронных звёзд и уравнение состояния их вещества таковы, что массы большинства этих звёзд попадают в узкий интервал допустимых значений. То же самое следует и в отношении образования и эволюции нуклонов, являющихся основой вещества, наблюдаемого во Вселенной.

Из изложенного выше видно, что рассмотрение кварков и адронов как некоторых композиций из адронного вещества в α – фазе и в β – фазе помогает понять феноменологически различные особенности, присущие элементарным частицам. Формальная замена шести кварков двумя новыми сущностями, фазами вещества, означает возможность дальнейшего упрощения теории строения адронов, основанной в целом на идее симметрии  взаимодействий частиц и привлечении методов квантовой механики. При взаимодействиях адронов фазы вещества преобразуются друг в друга, так что кварки как композиции фаз оказываются несамостоятельными и потому ненаблюдаемыми в смысле отдельных частиц. Это придаёт кваркам физический смысл квазичастиц, принципиально не существующих вне элементарных частиц. В таком случае теряет смысл теория конфайнмента, в которой ненаблюдаемость свободных кварков объясняется тем, что для разъединения кварков требуется очень большая энергия. Другим следствием является то, что требует пересмотра сама методология изучения элементарных частиц. Например, становятся необходимыми не математически- описательные теории строения и взаимодействия частиц, а их реальные сущностно-материальные модели, включающие в себя происхождение и эволюцию частиц в едином мировом процессе. Подобные модели могут быть представлены в рамках теории бесконечной вложенности материи.

Ссылки

  1. RHIC Scientists Serve Up "Perfect" Liquid. Brookhaven National Laboratory News (2005). Проверено 22 мая 2009.
  2. а б в г д е ё ж Федосин С.Г. Физические теории и бесконечная вложенность материи, Пермь, 2009, 844 стр., Табл. 21, Ил.41, Библ. 289 назв. ISBN 978-5-9901951-1-0.
  3. а б Федосин С. Г. Физика и философия подобия от преонов до метагалактик, Пермь: Стиль-МГ, 1999, 544 стр., Табл.66, Ил.93, Библ. 377 назв. ISBN 5-8131-0012-1.
  4. Baym G., Pethick Ch., Sutterland P. The ground state of matter at high densities: equation of state and stellar models. The Astrophysical Journal, 1971, Vol. 170, P. 306–315.
  5. а б в г д е ё ж з и й к л Комментарии к книге: Федосин С.Г. Физические теории и бесконечная вложенность материи. Пермь, 2009, 844 стр., Табл. 21, Ил.41, Библ. 289 назв. ISBN 978-5-9901951-1-0
  6. Круглов С.П. Пион-нуклонные и нуклон-нуклонные взаимодействия. – в трудах 3 международного симпозиума «Исследования пион-нуклонного рассеяния в ЛИЯФ», АН СССР, ЛИЯФ, Гатчина, 1989, с. 49–85.
  7. а б в Yao W.-M. et al., Review of Particle Physics. J. Phys. G, 2006, Vol. 33, P. 1.
  8. 14th Lomonosov Conference on Elementary Particle Physics Moscow, 19-25 August, 2009. Measurement of ππ scattering lengths from “cusp” effect in the decay  K^{\pm} \rightarrow \pi^{\pm} \pi^0 \pi^0 and Ke4 decays  K^{\pm} \rightarrow \pi^{+} \pi^- e^{\pm} \nu .
  9. Cardone, M. Gaspero, R. Mignani. Non-standard peak values of the Bose-Einstein correlations and their possible interpretation by a metric description of strong interactions. Eur. Phys. J. C 4, 705-709 (1998). DOI 10.1007/s100529800799.
  10. R. H. Dalitz and S. F. Tuan, Phys. Rev. Lett. 2, 425 (1959); Annals Phys. 10, 307 (1960).
  11. J.D. Weinstein and N. Isgur, Phys. Rev. Lett. 48, 659 (1982); Phys. Rev. D 41, 2236 (1990).
  12. Daisuke Jido, Yoshiko Kanada-En'yo. A new N* resonance as a hadronic molecular state. 25 Jun 2009.
  13. Oset, E. at al. Dynamically generated resonances. 20 Jun 2009.
  14. C. Amsler et al. (2008). "Review of Particle Physics". Physics Letters, B 667: 1. doi:10.1016/j.physletb. 2008.07.018.
  15. 'Perfect' Liquid Hot Enough to be Quark Soup. Brookhaven National Laboratory News (2010). Проверено 26 февраля 2010.
  16. 'Bubbles' of Broken Symmetry in Quark Soup at RHIC. Brookhaven National Laboratory News (2010). Проверено 26 февраля 2010.
  17. Федосин С.Г. Проблемы фундаментальной физики и возможные пути их решения // Сознание и физическая реальность, Т. 9, №. 2, 2004, С. 34 - 42.
  18. H. Park et al. HyperCP Collaboration, Phys. Rev. Lett. 94, 021801 (2005).
  19. Study of multi-muon events produced in p-pbar collisions at sqrt(s)=1.96 TeV (англ.).
  20. B. Tatischeff, E. Tomasi-Gustafsson. Search for Low Mass Exotic mesonic structures. Part I: experimental results. 9 Oct 2007.
  21. Choi S.-K., Olsen S.L. et al. Observation of a resonance-like structure in the π±Ψ΄ mass distribution in exclusive B→K π±Ψ΄ decays. arXiv: hep-ex / 0708.1790 v2, 23 Oct 2007.
  22. McKinnon B., Hicks K. et al. Search for the Θ+ pentaquark in the reaction (γ d) to (p K K+ n). arXiv: hep-ex / 0603028 v2, 4 May 2006.
  23. Particle listings. Particle Data Group. Частицы – не кварковые кандидаты. [2]
  24. B. Tatischeff, E. Tomasi-Gustafsson. Exotic low mass narrow baryons extracted from charge exchange reactions. 12 Feb 2010.
  25. Latest Results from ATLAS Higgs Search. ATLAS News. CERN. 4 July 2012.

Внешние ссылки

§  Model of quark quasiparticles

 

См. также

 

Источник: http://sergf.ru/mkk.htm

       На список страниц