Кварки или Откуда берётся масса Д.И.Дьяконов Петербургский институт ядерной физики (ещё полгода) Российской Академии Наук 10 июня 2010

Содержание 1.Фундаментальные частицы 2.Фундаментальные силы или любимая идея Б-га 3.Кривое пространство-время 4.Связанные состояния 5.Сложная жизнь пустого пространства 6.Откуда берётся масса протона 7. Что мы не понимаем

Связанные состояния разных размеров: [ Gell-Mann (1964), Zweig (1964) ] ? [ Дьяконов, Петров, Поляков (1997) ]

Фундаментальные частицы Электрон: Кварки: Протон, нейтрон: MeV или мега-электрон-вольт = энергия, которую приобретает заряженная частица, пройдя разность потенциалов миллион вольт. в единицах заряда протона, +1 В вашем теле примерно протонов и несколько больше нейтронов. x 3 «цвет» (принято измерять в единицах энергии, МэВ) (массы извлекаются косвенно, т.к. кварки в свободном виде не встречаются)

Фундаментальные силы 1.Гравитация. Переносчик – безмассовый гравитон. 2.Слабые взаимодействия (радиус действия м) Ответственны за некоторые распады ядер и очень важны в звёздах. Переносчики – W и Z бозоны с большой массой. 3. Электромагнитные взаимодействия ~ Переносчик – безмассовый фотон. 4.Сильные или «цветные» взаимодействия (радиус действия м ). Ответственны за «слипание» кварков в протоны и нейтроны, а последних – в ядра. Переносчик – восемь безмассовых глюонов.

Главная идея: «калибровочная инвариантность» Почему птичек не убивает высокое напряжение провода? Потому что только разность потенциалов имеет физический смысл. Само значение потенциала U(x,y,z) ненаблюдаемо, а наблюдаем, имеет физический смысл только градиент U, или напряжённость электрического поля E: Eichinvarianz, gauge invariance [ В.А.Фок (1926) ] На той же идее построены ВСЕ фундаментальные взаимодействия, например, сам по себе «цвет» кварка ненаблюдаем, а только изменение цвета в пространстве и времени имеет физические последствия.

Идея, что ничего не должно зависеть от «выбора координат» лежит в основе всех фундаментальных взаимодействий Гравитация или Общая теория относительности Эйнштейна (1915). Плоское простран- ство без материи Пространство искривляется массой Движение Земли в пространстве, искривлённом Солнцем. Показана координатная сетка. Наблюдаемые – орбита Земли – зависит только от кривизны, но не должны зависеть от выбора координат, описывающих кривое пространство.

«Цветные» взаимодействия кварков Каждый из 6 сортов кварков u, d, s, c, b, t имеет ещё по три «цвета»: «красный», «синий», «зелёный». «Переливаясь цветами», кварки испускают и поглощают глюоны, коих 8 штук: (кс), (кз), (зс), (ск), (сз), (зк), (кк - сс) и (кк + сс - 2зз). Квантовая хромодинамика! [ Gell-Mann, Fritsch, Minkowski (1972) ] протон в разрезе u u d

Примеры связанных состояний : -молекулы, фулерены – связанные состояния атомов. Энергия связи ~ 1 эВ, дефект массы -атомы – связанные состояния электронов и ядер. Энергия связи ~ 10 эВ, дефект массы - ядра - связанные состояния протонов (Q=+1) и нейтронов (Q=0) Энергия связи ~ 10 МэВ, дефект массы - протоны, нейтроны – связанные состояния кварков. Обычно: Масса составного объекта = масса составляющих – (минус) энергия связи, он же дефект масс.

Так было всегда, НО ВДРУГ Масса протона = 940 МэВ, масса составляющих кварков (uud) = = 15 MэВ !!?! Масса протона значительно больше массы составляющих кварков! ОТКУДА У ПРОТОНА МАССА ?? (Масса нашего тела на 99.95% задаётся массой протонов и нейтронов внутри нас, а оставшиеся 0.05% - это масса электронов.)

Ещё одна несуразица: Все известные связанные состояния, кроме нуклонов, можно, затратив некоторую энергию связи, разъять на составляющие. Кварки же не существуют в свободном виде, принципиально!!! Считается, что между ними действует сила притяжения даже при сколь угодно большом разведении, равная 14 тонн!! Понять это нелегко…

Новый принципиальный элемент: сложная жизнь пустого пространства - вакуума В вакууме всё время происходят большие нелинейные флуктуации поля глюонов с характерным размером м. Наличие или отсутствие материи почти не сказывается на вакуумных флуктуациях Анимация сделана на основе довольно точного компьютерного моделирования реального мира. Courtesy: Derick Leinweber

Нуклон в разрезе Кварки внутри протонов и нейтронов находятся в «среде» больших флуктуаций глюонного поля, которые и опреде- ляют все свойства!

Как почти безмассовый кварк приобретает массу? Вакуумные флуктуации глюонного поля (в пустом пространстве) наводят сильную корреляцию кварков и анти-кварков, которые из-за этого «склеиваются» и образуют во всём пустом пространстве квантовый конденсат пар: Дьяконов и Петров (1986) Общая идея: Вакс и Ларкин (1961) Nambu (1961) (нобелевская премия 2008, см. polit.ru ) Реализация в квантовой хромодинамике:

Кварк, летая в конденсате из пар, заменяет по очереди кварки внутри пар и приобретает в результате массу! (То же происходит с анти-кварком.) u (4 MeV), d (7 MeV)330 MeV 330 MeV x 3 = 990 MeV, а масса протона 940 MeV, почти что надо. На самом деле это – квантовый эффект, «житейского» аналога которому нет. Ближайшая аналогия – конденсация куперовских пар в сверхпроводнике, благодаря которой материал становится сверхпроводящим. было исходно «затравочная масса» стало в результате «спонтанного нарушения киральной симметрии»

Вилла на территории пивоварни Carlsberg в Копенгагене, где 30 лет жил Niels Bohr, создатель квантовой механики

Что мы не понимаем? 1) Почему кварки никогда «не вылетают» из протонов и нейтронов 2)Из чего состоит невидимая или «тёмная» материя, составляющая 80% массы Вселенной 3)Откуда берутся исходные массы фундаментальных частиц (кварков и лептонов), и почему они такие, а не другие 4) Все четыре фундаментальные взаимодействия построены явно по одному принципу, хочется их объединить в единую теорию, включая квантовую гравитацию В конце XIX века было два «тёмных облачка» – не объяснённый фотоэффект и опыт, показывающий, что нет эфира. Из первого «выросла» квантовая теория, из второго – теория относительности, которые не только перевернули наше понимание мира, но изменили всю жизнь и быт. По опыту прежнего, ответы на вопросы выше тоже могут изменить нашу жизнь до неузнаваемости…