обладают асимптотической свободой: сила взаимодействия в них действительно стремится к нулю, по мере того как взаимодействующие частицы сближаются. Позже в своей нобелевской лекции Гросс сказал: «Для меня открытие асимптотической свободы было совершенно неожиданным. Подобно атеисту, который только что услышал голос из неопалимой купины, я тут же обратился в истинную веру».
Сидни Коулман поручил своему студенту Дэвиду Политцеру проделать аналогичные вычисления; его независимый результат совпал с результатом Гросса и Вильчека и был получен примерно в то же время. То, что результаты совпали, дало обеим группам дополнительную уверенность в их достоверности.
Мало того, что теории Янга – Миллса оказались асимптотически свободными, выяснилось, что это единственный класс теорий поля, обладающий этим свойством. Это побудило Гросса и Вильчека предположить в первых строках их совместной эпохальной статьи, что теория Янга – Миллса, возможно, и правда объясняет сильное взаимодействие с учетом этой ее уникальности и того, что экспериментальные результаты SLAC 1968 г., по-видимому, делают асимптотическую свободу непременным требованием к любой теории сильного взаимодействия.
Которая из теорий Янга – Миллса верна, предстояло еще определить, как и понять, почему безмассовые калибровочные частицы, которые служат визитной карточкой теорий Янга – Миллса, никому никогда не попадались на глаза. И связанный с этим, возможно, самый важный и давний вопрос: а где же кварки?
Но, прежде чем я перейду к этим вопросам, еще один момент. Вас, возможно, интересует, почему поведение теорий Янга – Миллса так отличается от поведения их более простого сородича – квантовой электродинамики, для которой Ландау показал, что сила взаимодействия между электрическими зарядами возрастает на малых масштабах.
Ключевой момент здесь довольно тонкий и кроется в природе безмассовых калибровочных частиц в теории Янга – Миллса. В отличие от фотонов в электродинамике, не имеющих электрического заряда, глюоны – предсказанные переносчики сильного взаимодействия – обладают зарядами Янга – Миллса и потому взаимодействуют друг с другом. Но, поскольку теории Янга – Миллса сложнее квантовой электродинамики, заряды на глюонах тоже сложнее, чем простые электрические заряды на электронах. Каждый глюон похож не только на заряженную частицу, но и на маленький заряженный магнит.
Если поднести маленький магнитик к железному предмету, железо намагнитится и в результате вы получите более мощный магнит. Что-то аналогичное происходит и в теориях Янга – Миллса. Если у меня имеется некая частица с зарядом Янга – Миллса, скажем кварк, то кварки и антикварки могут возникать в вакууме вокруг этого заряда и экранировать его, как происходит в электромагнетизме. Но глюоны тоже могут выскакивать из вакуума, и поскольку они работают как маленькие магнитики, то стремятся выстроиться в направлении поля, порождаемого первоначальным кварком. Это увеличивает силу поля, что, в свою очередь, побуждает новые глюоны выскакивать из вакуума, что увеличивает силу поля, и т. д.
В результате чем глубже вы проникаете внутрь виртуального глюонного облака, то есть чем ближе подбираетесь к кварку, тем слабее будет казаться поле. В конечном итоге, когда вы сблизите два кварка, взаимодействие между ними станет настолько слабым, что они начнут вести себя так, будто вовсе не взаимодействуют, – а это главная отличительная черта асимптотической свободы.
Я воспользовался здесь глюонами и кварками как своеобразными ярлычками, но следует заметить, что асимптотическая свобода не указывала однозначно на какую-то конкретную теорию Янга – Миллса. Однако Гросс и Вильчек признавали, что естественным кандидатом была та теория Янга – Миллса, которую Гринберг и другие постулировали как необходимую для того, чтобы кварковая гипотеза Гелл-Манна объясняла наблюдаемую природу элементарных частиц. В этой теории каждый кварк несет на себе один из трех различных типов заряда, которые обозначаются, за отсутствием более подходящих названий, цветами: красный, зеленый и синий. Именно из-за такой терминологии Гелл-Манн пустил в обращение для этой теории Янга – Миллса название «квантовая хромодинамика» – квантовая теория цветных зарядов, по аналогии с квантовой электродинамикой – квантовой теорией электрических зарядов.
Гросс и Вильчек исходили из того, что квантовая хромодинамика является корректной калибровочной теорией сильного взаимодействия кварков, поскольку наблюдательные данные говорили в пользу подобной симметрии, связанной с кварками.
Не более чем через год после этих теоретических достижений замечательная идея асимптотической свободы получила столь же замечательное экспериментальное подкрепление. Эксперименты на SLAC и еще на одном ускорителе в Брукхейвене на Лонг-Айленде привели к поразительному и неожиданному открытию новой массивной элементарной частицы, причем было похоже, что частица эта включает в себя новый кварк – тот самый очарованный кварк, что был предсказан Глэшоу и его коллегами четырьмя годами раньше.
Но в этом открытии была своя загадка, поскольку новая частица жила намного дольше, чем можно было ожидать на основании измеренного времени жизни более легких нестабильных сильно взаимодействующих частиц. Открывшие новую частицу экспериментаторы говорили, что ее обнаружение было подобно тому, как случайно встретить в джунглях новый вид людей, живущих не до ста, а до десяти тысяч лет.
Если бы это открытие было сделано хотя бы на пять лет раньше, оно показалось бы необъяснимым. Но в данном случае судьба благоприятствовала подготовленному разуму. Том Аппельквист и Дэвид Политцер, работавшие в то время в Гарварде, быстро поняли, что если асимптотическая свобода действительно является свойством сильного взаимодействия, то можно показать, что взаимодействия, управляющие более массивными кварками, должны быть слабее взаимодействий, управляющих более легкими и более знакомыми кварками. А более слабое взаимодействие означает, что частицы распадаются медленнее. То, что могло казаться загадкой, в данной ситуации служило подтверждением новой идеи асимптотической свободы. Казалось, все встало на свои места.
За исключением всего одной, но весьма существенной вещи. Если теория квантовой хромодинамики – это теория взаимодействий между кварками и глюонами, то где, собственно, сами кварки и глюоны? Как так получается, что никто и никогда не видел их в эксперименте?
Ответить на этот вопрос помогла асимптотическая свобода, предоставившая ключевое свидетельство. Если сильное взаимодействие ослабевает по мере приближения к кварку, то, напротив, по мере отдаления от кварка оно должно усиливаться. Представьте тогда, что произойдет, если я попытаюсь растащить кварк и антикварк, связанные сильным взаимодействием. Когда я начинаю их растаскивать, мне требуется все больше и больше энергии, поскольку сила притяжения между ними возрастает с расстоянием. Со временем поля вокруг кварков накопят так много энергии, что энергетически выгодным станет появление из вакуума новой пары кварк – антикварк, каждый член которой свяжется с одной из первоначальных частиц. Этот процесс схематически показан на рисунке.
Это похоже на растягивание резиновой ленты. В конце концов лента, вместо того чтобы растягиваться до бесконечности, разорвется на две части. Каждый кусок ее в данном случае будет символизировать новую связанную пару кварк – антикварк.
Что это должно означать для экспериментаторов? Ну, если я ускоряю частицу, к примеру электрон, и она сталкивается с кварком внутри протона, то кварк будет выбит из протона наружу. Но, когда кварк начинает выходить из протона, его взаимодействие с остающимися кварками усилится, и в конечном итоге станет энергетически выгодно, чтобы из вакуума выскочила пара кварк – антикварк и ее составляющие связались как с выбитым кварком, так и с его остающимися собратьями. Это означает, что возникнет ливень сильно взаимодействующих частиц, таких как протоны, нейтроны, пионы и т. д., движущийся вдоль траектории первоначального выбитого кварка, и аналогичный ливень сильно взаимодействующих частиц в направлении движения оставшихся от протона исходных кварков. А потому никто и никогда не увидит кварки по отдельности.
Аналогично, если частица сталкивается с кварком, то при отскоке кварк иногда, прежде чем связаться с появившимся из вакуума антикварком, испускает глюон. Далее, поскольку глюоны взаимодействуют и с кварками, и между собой, новый глюон может испустить еще несколько глюонов. Эти глюоны, в свою очередь, также будут окружены новыми кварками, возникшими из вакуума, и породят новые сильно взаимодействующие частицы, движущиеся вдоль направлений движения каждого из первоначальных глюонов. В этом случае можно ожидать увидеть в некоторых случаях не одиночный ливень, движущийся в направлении движения первоначального кварка, а несколько таких ливней, соответствующих каждому из новых глюонов, испущенных по пути.
Поскольку квантовая хромодинамика – конкретная, вполне определенная теория, по ней можно предсказать частоту, с которой кварки будут испускать глюоны, и частоту, с которой можно будет увидеть одиночный ливень частиц, или, как принято говорить, струю, выброшенную при столкновении электрона с протоном или нейтроном, а также частоту, с которой можно будет увидеть две струи, и т. д. Со временем, когда ускорители стали достаточно мощными, чтобы наблюдать на них все эти процессы, экспериментально наблюдаемые частоты в точности совпали с предсказаниями теории.
Есть все основания считать, что эта картина свободных кварков и глюонов, которые быстро связываются с новыми кварками и антикварками, так что никто и никогда не сможет наблюдать свободный кварк или глюон, соответствует действительности. Это явление называется конфайнментом, или невылетанием кварков, поскольку кварки и глюоны всегда заключены внутри сильно взаимодействующих частиц, таких как протоны и нейтроны, и не могут вылететь из них, без того чтобы не оказаться заключенными внутри вновь созданных сильно взаимодействующих частиц.