Кварки, глюоны и антикварки являются компонентами протонов, нейтронов и (по определению) других адронов.
Удивительным физическим свойством нашего мира является то, что когда одна из этих частиц выбивается из содержащего ее адрона и летит с большой энергией движения, она остается ненаблюдаемой макроскопически.
Вместо этого высокоэнергетический кварк (или глюон, или антикварк) превращается в «всплеск» адронов (частиц, состоящих из кварков, антикварков и глюонов).
Этот спрей называется «струя».
Обратите внимание, что это верно для пяти легчайших цветов кварков, но не для верхнего кварка, который распадается на частицу W и нижний кварк до того, как может возникнуть джет. В статье я примерно опишу, как и почему возникают джеты из высокоэнергетических кварков, антикварков и глюонов.
Такое поведение кварков, отличное от поведения заряженных лептонов, нейтрино, фотонов и других, обусловлено тем, что кварки и глюоны подвержены действию сильного ядерного взаимодействия, а другие частицы — нет. Большинство взаимодействий между двумя частицами становятся слабее по мере увеличения расстояния.
Например, гравитационное взаимодействие между двумя планетами убывает обратно пропорционально квадрату расстояния между ними.
То же самое справедливо и для электрического взаимодействия между двумя заряженными объектами, оно также зависит от квадрата расстояния.
Вы можете самостоятельно потереть шарик, зарядив его статическим электричеством, а затем поднести к голове.
Если поднести его ближе, волосы встанут дыбом, но этот эффект быстро пропадает, если отодвинуть шарик подальше.
Сильное ядерное взаимодействие хотя и возрастает на малых расстояниях, а убывает на больших (хотя и не так быстро, как электричество — это свойство важно для понимания истории сильных взаимодействий), однако перестаёт убывать на расстояниях порядка одной миллионной доли.
миллиардной доли метра — порядка радиуса протона, который в 100 000 раз меньше радиуса атома.
И это не случайность — этот эффект действительно определяет размер протона.
Это взаимодействие, порождаемое глюонным полем, становится постоянным.
Это означает, что если вы попытаетесь вытащить кварк из протона, как показано на рис.
1, вы обнаружите, что тянуть его все дальше и дальше не становится легче.
Ощущение примерно сравнимо с растягиванием резинки.
Вот только резинка в какой-то момент порвется.
Как только в ленте накопится достаточно энергии, природа предпочтет разорвать ее надвое, чем позволить вам тянуть дальше.
И при его разрыве вместо одного адрона (протона) получается два: протон или нейтрон плюс (обычно) пион.
В момент разрыва пара кварк/антикварк формируется определенным образом - энергия в виде натяжения ленты преобразуется в энергию массы кварка и антикварка плюс в определенную энергию движения каких-то дополнительных глюоны.
Энергия сохраняется: вы начали с энергии массы протона, добавили энергию, чтобы растянуть протон, и получили энергию массы двух адронов (без всякого растяжения).
Электрический заряд также сохраняется, поэтому в итоге мы получаем либо нейтральный пион и протон, либо положительно заряженный пион и нейтрон.
Рис.
1: если попытаться вытащить кварк из протона с помощью волшебного пинцета, то протон сначала исказится, а затем разделится на два адрона.
Ваша попытка освободить кварк потерпит неудачу, а затраченная энергия превратится в энергию массы второго адрона.
Что происходит, когда кварк высокой энергии выбивается из протона? Например, быстро движущийся электрон врезается в протон, сильно ударяя кварк, придавая ему энергию движения, намного превышающую энергию массы всего протона? Грубо говоря - я скажу знатокам, что часть этого утверждения будет наивной и немного отвлекающей от сути, но позже исправлю - происходит примерно то же самое, что показано на рис.
1, но в большем масштабе.
Кварк движется настолько быстро, что возникающая резинка не успевает порваться и слишком сильно растягивается – см.
середину рисунка.
2. В результате вместо того, чтобы распадаться в одном месте и образовывать два адрона, он распадается во многих местах и образует множество адронов (в основном пионов и каонов (похожих на пионы, но содержащих странный кварк или антикварк) и эта-мезонов, или, реже, протоны, нейтроны, антипротоны или антинейтроны).
Все они будут двигаться более или менее в одном направлении.
В результате мы получим всплески адронов, большая часть которых полетит в сторону исходного кварка.
Вот вам стрим.
Рис.
2 Первоначальная энергия кварка высокой энергии теперь разделена между адронами в струе.
Но для кварков с достаточно высокими энергиями (10 ГэВ и более) небольшая доля энергии участвует в формировании массовой энергии новых адронов; большая часть ее уходит в энергию их движения.
В результате полная энергия и направление струи аналогичны начальной энергии и направлению кварка.
Измеряя энергию и направление движения всех адронов в струе и определяя энергию и направление движения струи в целом, физики элементарных частиц получают точную оценку энергии и направления движения исходного кварка.
То же самое справедливо и для антикварков и, с небольшой модификацией, для глюонов высоких энергий.
Хочу отметить, что никто не может детально просчитать, как происходит этот процесс.
Мы знаем то, что я вам рассказал, в результате сочетания десятилетий теоретических расчетов, теоретических догадок и данных – детальных данных из различных источников – которые в целом показывают, что примерно так и есть.
И у нас есть основания быть в этом уверенными.
В противном случае многие из наших высокоточных испытаний сильного ядерного взаимодействия потерпели бы неудачу.
Примечание.
Физики высоких энергий называют этот объект, похожий на резиновую ленту, струной КХД.
квантовая хромодинамика являются уравнениями, описывающими сильное ядерное взаимодействие).
Исторически, пытаясь понять наблюдаемое поведение адронов в природе (до того, как физики придумали КХД и открыли глюоны, и когда кварки еще не были так хорошо изучены), в конце 1960-х годов теоретики придумали теорию струн.
Лишь позже стало ясно, что струна в этой ранней теории струн была реальной вещью, частью физики.
И даже позже стало ясно, что струны КХД невозможно адекватно описать с помощью стандартной теории струн.
Какое-то время это считалось неудачей, пока Шерк и Шварц не указали, что теория струн, возможно, лучше подходит для описания квантовой гравитации (и, возможно, всех фундаментальных частиц).
А теоретики струн пошли в другом направлении.
А недавно стало понятно, как можно сделать что-то неожиданное, используя стандартную теорию струн, чтобы она лучше (не идеально, но гораздо лучше) описывала КХД-струны.
К сожалению, она до сих пор отвратительно описывает самолеты.
Очевидно, что о сильном ядерном взаимодействии можно сказать гораздо больше.
Рис.
3 Теперь исправлю неточность, допущенную на рис.
2. Я упустил ключевой шаг.
Пораженный кварк, как и любая ускоренная частица, будет излучать.
Внезапно ускоренный электрон испустит фотоны; вдруг ускоренный кварк испустит глюоны (и фотоны тоже, но их гораздо меньше).
Это показано вверху справа на рис.
3. Следовательно, на краю протона на самом деле появляется не быстрый кварк (рис.
3, средний слева), а набор быстрых глюонов плюс быстрый кварк.
В результате процесс формирования адронной струи (рис.
3, внизу) оказывается более сложным, чем на рис.
2, хотя результат более или менее тот же.
Но форма струи на самом деле определяется тем, как глюоны испускаются до того, как кварк покидает протон.
Процесс испускания глюонов кварком можно рассчитать! Поэтому, используя уравнения сильного ядерного взаимодействия, можно рассчитать гораздо больше свойств струи, чем может показаться на основе наивной цифры.
2. Эти расчеты подтверждены данными, в результате чего получены проверенные уравнения, описывающие сильное ядерное взаимодействие.
Теги: #Популярная наука #физика #JET #Мэтт Страсслер #Мэтт Страсслер #Мэтт Страсслер #jet #кварки #кварки #глюоны #глюоны #глюоны #адроны
-
Кафка Против Wargaming: Блинпрос
19 Oct, 24 -
Контроль Над Ситуацией Делает Вас Счастливым
19 Oct, 24 -
Verizon И Motorola Представили Новый Droid
19 Oct, 24
