Существует ли странный кварк?

Кварковая модель адронов была предложена М. Гелл-Манном и Г. Цвейгом в 1964-ом году. Об истории развития этой концепции хорошо написано в книге [1]. О современных концепциях фундаментальных частиц (ФЧ) можно почитать, например, в [2].

В чем состоит суть кварковой модели? Адроны - это барионы (например, нуклоны: протон p и нейтрон n) и мезоны (например, триплет п+, п-, п0 мезонов), считаются состоящими из фундаментальных, далее неделимых частц - кварков. Барионы считаются состоящими из 3-х кварков, мезоны - их пары кварка и антикварка. Все известные частицы исчерпываются адронами и лептонами. Лептоны - это электрон e-, мюон м- и т-лептон т-, они массивные и обладают электрическим зарядом, и соответствующие им нейтрино: v_e v_м v_т, все они безмассовые (следовательно движущиеся со скоростью света) и электрически нейтральные. Каждый лептон обладает соответствующим антилептонном. Истинными ФЧ считаются только лептоны и кварки. Однако лептоны можно наблюдать как свободные частицы, тогда как кварки существуют лишь как составные части адронов. Отсутствие в природе свободных кварков ности название конфайнмента - кварки явлляются как бы заключенными, и никогда не вылетают из адронов. Если бы они вылетали из адронов - их свойства оказались бы весьма странными, в частности, их заряды, выраженные через заряд электрона, являются дробными. До сих пор не было зарегистрировано ни одной свободной частицы с дробным электрическим зарядом. Кварки считаются обладающими т.н. цветовым зарядом, которые взаимодействуют путем обмена глюонами. Глюоны - это кванты т.н. поля Янга-Миллса с локальной группой симметрии SU(3), соответсвующей цветовым зарядам. Это поле похоже на электромагнитное поле, которое тоже является полем Янга-Миллса с более простой группой локальной симметрии U(1), но, в отличие от него, является существенно нелинейным. Электромагнитое поле создается одним типом зарядов, глюонное же - тремя.

Нуклоны и п-мезоны состоят из двух типов кварков u и d, например:

p = uud
n = udd
Д++ = uuu

Как видим, электрический заряд u-кварка равен +2/3, d-кварка - -1/3. Заметим (это чуть дальше понадобится), что разность зарядов u и d кварков равна +1, т.е. такая же, как разность зарядов нейтрино и электрона.

До этого момента кварковая модель является очень простой и изящной! Все ФЧ являются вечными, они не рождаются и не уничтожаются! Следует иметь в виду, что рождение или аннигиляция пар ФЧ и античастицы может рассматриваться как изменение ее направления движения во времени.

Но как будто u и d кварки могут превращаться друг в друга при бета-распаде?

n  ->  p  + e- + v_e~

Таким образом, учитывая кварковый состав нуклонов

d  ->  u  + e- + v_e~

Как будто, перед нами распад d-кварка на электрон и электронное антинейтрино. Можно ли это представить как «упругое» взаимодействие, просто рассеяние ФЧ друг на друге? Оказывается - да! Поскольку я нигде в литературе такого не находил, то, наверное, это мой собственный подход ;)

Так же, как мы обычно считаем позитрон электроном, движущемся обратно во времени, так же мы можем сопоставить d-кварку электрон e-, а u-кварку - электронное нейтрино. Тогда записанный выше распад, будет представим как превращение d-кварка в u-кварк с испусканием виртуального W-бозона, и распадом последнего на электрон и антинейтрино. Если кто-то не знает, что такое «виртуалный W-бозон», может без всякого ущерба для понимания считать, что его и не было! А вообще - это такая промежуточная частица!

Тогда в рассмотренных распадах участвуют только фундаментальные составляющие, которые не возникают и не уничтожаются, а всего лишь меняют свое состояние.Таким образом удается представить, что все превращения элементарных частиц можно свести просто к рассеянию, «перетасовке» Более того, мы неожиданно объяснили почему кварки есть лишь внутри адронов! Потому что когда они вылетают наружу, то выглядят как обычные лептоны.

Однако, дальнейшее изученине рождающихся при столкновениях элементарных частиц короткоживущих и тяжелых гиперонов и резонансов привело к включению в нее странного кварка s. Так в книге [2] на стр.41 говорится следующее

"Тот экспериментальный факт, что странные частицы рождаются парами в сильных взаимодействиях нестранных адронов, прямо указывает на то, что они содержат новый кварк."

В настоящее время в кварковую модель включены 6 кварков. Я полагаю, что вначале следовало бы разобраться, обосновано ли включение в нее странного кварка. Все последующие кварки включались по той же схеме.

Чем, собственно, мне не нравится странный кварк? Лишь тем, что он распадается! На мой взгляд абсурдно называть частицу фундаментальной, если она нестабильна и распадается через 10^(-10) сек. В [3] (не по поводу кварковой модели, а по поводу т.н. модели Сакаты, что ничего принципиально не меняет) на стр.20 утверждается

"Способностью разрушать и создавать фундаментальные частицы обладает лишь слабое взаимодействие."

Не будь слабого взаимодействия, s-кварк (это касается и следующих поколений кварков) никогда бы не распадался. Более того, его бы вообще не было, поскольку он бы никогда  и не возникал! Более того бета-распад - это тоже пример процесса, происходящего за счет слабого взаимодействия. Может быть если нам удалось трактовать бета-распад как процесс упругого рассеяния, то что-то подобное удастся и с s-кварком?

На мой взгляд, объявление s-кварка фундаментальным объектом, и в то же время совершенно эфемерным произошло вот по каким двум причинам:

1) Пусть слабого взаимодействия нет. Как-то мы его выключили. Тогда странность частицы становится сохраняющейся величиной, как, например, заряд и масса. Такие законы сохранения, в согласии с теоремой Нетер (см. [4]), являются результатом симметрии лагранжиана квантовой теории поля (с выключенным слабым взаимодействием) относительно некоторого преобразования координат и внутренних переменных. А теперь включим слабое взаимодействие. Это нарушит симметрию лагранжиана, и приведет к тому, что  закон сохранения странности станет приближенным. Концепция нарушенных симметрий и приближенных законов сохранения весьма популярна в физике элементарных частиц, хотя по-моему это полный абсурд. Если есть симметрия, есть и закон сохранения, если симметрия нарушена - закона сохранения нет. В общем случае ситуация именно такова. Кроме того неясен смысл «выключения» слабого взаимодействия. Это физически невозможно.

2) Квантовая теория поля (см. [5]) вообще строится не на базе концепции неизменных ФЧ, но на базе концепций рождения и уничтожения частиц, безотносительно к тому,  фундаментальны ли они. Рождаться и уничтожаться может что угодно, законы сохранения вводятся в теорию искусственным, принудительным образом, а не вытекают из фундаментальных принципов. Чтобы описать, например, перемещение электрона - фундаментальной и неуничтожимой частцы из т. A в бесконечно близкую точку B,  следует представить себе, что он уничтожается в т. A, а затем рождается в т. B. Так что, на мой взгляд, формализм операторов рождения и уничтожения квантовой теории поля не вполне адекватен описываемым процессам.

По-моему, физика элементарных частиц и теория квантованных полей должна быть построена на базе вечных и  неизменных ФЧ, а все разнообразие частиц и их взаимодействий должно быть объяснено как результат упругого рассеяния ФЧ, может быть перебрасывающего ФЧ между лептонным и кварковым секторами. Нестабильные кварки не могут быть приписаны к числу ФЧ, и, вероятно, являются  возбужденными состояниями ФЧ. Возбужденные состояния можно эффективно трактовать как квазичастицы - солитоны, которые в большинстве случаев тоже появляются парами: солитон - антисолитон, и это никоим образом не требует считать их ФЧ, вопреки цитированному утверждению из [2].

Литература.

1. Я. Коккедэ, Теория кварков, М., Мир, 1971.
2.  Ф. Хелзен, А. Мартин, Кварки и лептоны, М., Мир, 1987.
3. Л.Б. Окунь, Слабое взаимодействие элементарных частиц, М., Физиатгиз, 1963.
4. А.А. Богуш, Л.Г. Мороз, Введение в теорию классических полей, М., УРСС, 2004 (изд. 2).
5. Н.Н. Боголюбов, Д.В. Ширков, Введение в теорию квантованных полей, М., Гос.изд.тех.-теор.лит., 1957.