ТАВХЕЛИДЗЕ

АЛЬБЕРТ НИКИФОРОВИЧ

АКАДЕМИК РОССИЙСКОЙ АКАДЕМИИ НАУК,

доктор физико-математических наук,

профессор

К вопросу об открытии квантового числа «ЦВЕТ»

Недавно Москву и Дубну посетил выдающийся американский физик Мюррей Гелл-Манн. В интервью еженедельнику "Московские новости" (2007, №40) среди крупных открытий последнего времени он отметил открытие «цвета». Мне, как автору этого открытия, сделанного совместно с академиком Н.Боголюбовым и профессором Б.Струминским, хотелось бы дать пояснения к истории этого открытия с целью подчеркнуть существующий приоритет ученых ОИЯИ (г.Дубна) в этой области. И, пожалуй, сначала стоило бы пояснить его значение, связанное с современными представлениями о картине мира.

Сегодня доминирует точка зрения, что физические явления на Земле и в космосе обусловлены тремя фундаментальными силами - гравитационными, электрослабыми и хромодинамическими. Источник гравитационных сил - сама материя, а действие их обеспечивает устойчивость солнечной системы и эволюционные процессы в космосе. Источник электромагнитных сил - электрический заряд, которым обладают частицы материи. Результатами действия электромагнитных сил мы пользуемся в нашей повседневной жизни во всем, что связано с электричеством, и они, наряду с ядерными силами, обеспечивают устойчивость атомов, то есть существование мира, в котором мы живем. Благодаря слабым силам, присущим элементарным частицам материи, рождаются нейтрино, которые наряду с электромагнитным излучением несут уникальную информацию об эволюции Вселенной. Электромагнитные и слабые силы имеют общую природу и объединяются названием - электрослабые силы.

Хромодинамические (цветодинамические) силы обусловлены наличием у кварков и глюонов, из которых состоят протоны и нейтроны, особой характеристики - фундаментального квантового числа, впоследствии названного «цветом». Примечательно, что сами протоны и нейтроны не обладают этим квантовым числом, являясь бесцветными (то есть белыми). Название квантового числа «цветом» дало удобный физический образ, отражающий факт возможности получения бесцветных объектов из цветных с помощью комбинации трех разных основных цветов, например, красного, синего и зеленого. Квантовое число «цвет» играет роль особого - цветового заряда, который и создает силовые хромодинамические поля - глюоннные поля. Именно эти силы управляют процессами внутри протонов и нейтронов, и осуществляют по аналогии с молекулярными силами сильные ядерные взаимодействия между ними в атомных ядрах. Таким образом, открытие квантового числа «цвета» и хромодинамических сил послужило ключом к раскрытию природы ядерных сил, обеспечивающих устойчивость атомных ядер.

Квантовое число «цвет» было впервые открыто Н.Боголюбовым, Б.Струминским и мной и независимо американскими учеными И.Намбу и М.Ханом в начале 1965 года.

То, что атомное ядро состоит из протонов и нейтронов, было открыто в тридцатые годы прошлого века. Для объяснения устойчивости атомного ядра предполагалось существование сильных ядерных взаимодействий между протонами и нейтронами. Детальное изучение природы ядерных взаимодействий, кроме их важности для фундаментальной науки, приобрело государственное значение и диктовалось необходимостью развития ядерной энергетики как в мирных, так и в военных целях. Поэтому перед физиками встала жизненно важная задача разгадать тайну ядерных сил.

К началу 60-х годов XX века выяснилось, что в ядерных взаимодействиях участвуют несколько сотен разных частиц, которые тогда считались элементарными и число которых неуклонно росло с усовершенствованием экспериментальных возможностей, что создало непреодолимые трудности в объяснении природы ядерных сил.

Поворотным пунктом стала гипотеза М.Гелл-Манна и Д.Цвейга в 1964 году о том, что протоны, нейтроны и все открытые к тому времени частицы, участвующие в ядерных взаимодействиях, не являются элементарными, а состоят из более фундаментальных составляющих, названных кварками. Кварковая модель позволила вместо того, чтобы изучать свойства сотен частиц, рассмотреть свойства всего лишь нескольких типов кварков и на их основе классифицировать все частицы.

Здесь следует отметить, что в модели Гелл-Манна и Цвейга кварки мыслились как сугубо математические объекты, и эта модель содержала внутреннее противоречие. Дело в том, что кварки Гелл-Манна и Цвейга по своей природе фермионы, они обладают тем свойством, что два таких одинаковых кварка не могут быть одновременно в одном и том же состоянии. Но в модели Гелл-Манна и Цвейга при классификации уже открытых частиц допускалась возможность пребывания даже трех кварков в одном и том же состоянии. Кроме того, в модели не рассматривался вопрос о динамике — о силах, которые удерживают кварки внутри протона и не дают им вырваться оттуда.

Осенью 1964 года в Дубне на Рочестерской конференции профессор А.Салам в своем докладе, в частности, рассказал о кварковой модели Гелл-Манна и Цвейга. Обсуждая этот доклад во время прогулки, Н.Боголюбов в задумчивости вдруг произнес: «Знаете, Альберт Никифорович, все же кварки - не математические, а реальные физические объекты». Это и был исходный пункт нашей работы по изучению кварков, приведший в результате к открытию нового квантового числа «цвет».

Возникла идея о том, что кварки обладают дополнительным свойством - цветом, и любой кварк может находиться в трех возможных цветовых состояниях - красном, синем и зеленом. Тогда проблема статистики автоматически разрешается, поскольку каждый из трех кварков может в этом случае находиться в отличающихся друг от друга цветовых состояниях, как и положено для фермионов. Более того, в нашей классификации цветовая симметрия кварков выбиралась так, что все составленные из них наблюдаемые частицы были бесцветны.

В упомянутой выше работе Н.Боголюбова, Б.Струминского и моей была также предложена динамическая модель, предсказывающая весьма необычное, парадоксальное свойство взаимодействия между кварками: внутри протонов и нейтронов они находятся в квазисвободном состоянии, но "вытащить" их из протонов и нейтронов невозможно. То есть, как сейчас говорят, кварки находятся в "вечном заключении" в ядерных частицах.

В мае 1965 года в крупнейшем центре теоретической физики в Триесте на представительной международной конференции я доложил об этих исследованиях, выполненных в Лаборатории теоретической физики Объединенного института ядерных исследований в Дубне. Тогда многие поняли, что дополнительное квантовое число спасает ситуацию, и кварки могут проявляться как реальные физические объекты в экспериментах. Осенью того же года в выступлении на конференции в США американский физик И.Намбу показал, что квантовое число «цвет» может играть роль цветового заряда, создающего вокруг себя хромодинамическое силовое поле, которое может осуществлять взаимодействие между кварками и которое является прообразом современных глюонов, "склеивающих" кварки в составных ядерных частицах.

Важным этапом обоснования динамической модели квазинезависимых кварков явилось получение в рамках этой модели В.Матвеевым, Р.Мурадяном и мной формулы кваркового счета, блестяще подтвержденной экспериментами, а в работе Н.Боголюбова, В.Владимирова и моей был доказан локальный характер взаимодействия между кварками, который в принципе может обеспечить квазисвободное поведение кварков внутри протонов и нейтронов.

В начале семидесятых годов прошлого века благодаря блестящим экспериментальным и теоретическим работам, выполненным в ядерно-физических центрах мира, кварковая модель с «цветом» и хромодинамическими силами, которые обеспечивают квазисвободное состояние кварков внутри ядерных частиц, получила всеобщее признание. Опираясь на полученные к тому времени результаты, М.Гелл-Манн, Х.Фритч и независимо М.Лейтвиллер систематизировали основные положения квантовой хромодинамики - современной теории ядерных сил.

За цикл работ «Новое квантовое число - цвет и установление динамических закономерностей в кварковой структуре элементарных частиц и атомных ядер» коллективу ученых Объединенного института ядерных исследований (г.Дубна) и Института ядерных исследований РАН (г.Москва) была присуждена Ленинская премия в 1988 году.