Кварки или откуда берется масса

Содержание
Фундаментальные частицы
Фундаментальные силы или любимая идея Б-га
Кривое пространство-время
Связанные состояния
Сложная жизнь пустого пространства
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
x 3
x 3
«цвет»
(принято измерять в единицах энергии, МэВ)
(массы извлекаются косвенно,
т.к. кварки в свободном виде не встречаются)

Фундаментальные силы
Гравитация . Переносчик – безмассовый гравитон.
Слабые взаимодействия (радиус действия 10-18 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.
Сильные или «цветные» взаимодействия (радиус действия
10-15 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) = 4 + 4 + 7 = 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 10-15 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