Я уже как-то рассказывал про необычные свойства адронов с большими энергиями: см. Дифракция в физике элементарных частиц: рассказ первый и Дифракция в физике элементарных частиц: рассказ второй. Сейчас будет пара постов в продолжение этой темы.Один из самых известных эффектов теории относительности -- сокращение продольных размеров быстро летящих тел. Если в системе покоя тело имело продольный размер L, то наблюдатель, движущийся мимо с околосветовой скоростью, будет в своей системе отсчета видеть продольный размер L/γ. Поперечный размер при этом не меняется, так что ультрарелятивистский шарик выглядит сильно сплющенным диском.Этот эффект не яляется специфичным для осязаемых тел. То же самое происходит, например, и с электрическими полями. Скажем, электрическое поле, которые было сферически симметричным в системе покоя заряда, в ультрарелятивистской системе отсчета тоже сплющивается в гамма раз, так что оно становится локализованным примерно в плоскости, ортогональной движению заряда, и там оно усиливается в гамма раз. (В дополнение к этому, конечно, появляется и магнитное поле, так что ЭМ поле все больше напоминает поток почти реальных фотонов). Так вот, это, казалось бы, универсальное правило не выполняется для ультрарелятивистского протона (ну и всех адронов вообще). Он вовсе не сжимается в гамма раз, а остается довольно "толстым". И причина этого -- не нарушение теории относительности, а неприменимость к быстрому протону обычного понятия "состоит".Что такое партоныВо всех научно-популярных книжках пишут, что протон состоит из трех кварков, связанных глюонными силами. На самом деле, это описание работает только для неподвижного или медленно движущегося протона. При движении со скоростью, близкой к скорости света, протон состоит уже из других объектов (партонных плотностей), и при этом состав протона уже не является чем-то фиксированным, а зависит от системы отсчета.Как такое получается? Прежде всего, обращу внимание на то, что "состав" у составной частицы -- совершенно нетривиальное понятие в квантовой теории поля (КТП) со взаимодействием. Причиной нетривиальности является "закон несохранения" элементарных частиц: их количество не фиксировано, они могут рождаться и поглощаться. Например, глюонное взаимодействие между кварками так и осуществляется: глюоны излучаются и поглощаются, приводят к силовому взаимодействию. Но похожие флуктации глюонных и кварковых полей существуют и в вакууме: ведь вакуум в КТП -- не мертвая пустота, а вполне себе "бурлящее" состояние. Поэтому такие квантовые флуктуации, которые есть и в вакууме, и внутри составной частицы, не могут полноценно считаться составляющими этой частицы. "Состав" составной частицы -- это то, что отличает ее от вакуума.Рассмотрим теперь ультрарелятивистский протон. Вся динамика внутри этого протона нам теперь кажется сильно замедленной. Те виртуальные глюоны, которые раньше излучались и тут же поглощались, теперь долгое время летят рядом с кварками, и только потом поглощаются. При этом они могут еще на некоторое время излучить новые глюоны или даже расщепиться на кварк-антикварковые пары. В результате, если мы сделаем "моментальный снимок" протона, то увидим, что кроме исходных кварков в нем присутствует большое количество глюонов и даже кварк-антикварковых пар.
Это всё те же флуктуации кварковых и глюонных полей, но только сейчас они происходят в такой кинематике, которая практически отсутствует в вакууме. Именно поэтому эти партоны можно считать составными частями быстро летящего протона. Причем чем ближе скорость протона к скорости света, тем дольше живут эти флуктуации. Это значит, что они успеют породить более сложное "дерево" вторичных флуктуаций, т.е. сделать структуру протона более сложной.Кинематика партоновВо всех этих расщеплениях, разумеется, выполняется закон сохранения импульса. В ультрарелятивистском протоне доминирует продольный импульс, поэтому обратим внимание на него. Каждый конкретный партон может нести какую-то долю, x, от импульса всего протона. При расщеплении на два других партона этот x делится на x1 и x2 в некоторой пропорции (конкретный закон задают так называемые функции расщепления). Причем при излучении глюонов (не важно, от кварков или из других глюонов) преимущество получают "мягкие" глюоны, т.е. с очень маленьким x1/x.Итак, в результате всей эти динамики в ультрарелятивистском протоне складывается некое "равновесное" распределение партонов по доли продольного импульса. Причем в случае глюонов оно резко растет в сторону малых x (глюоны начинают доминировать при x меньше, чем примерно 0,01-0,05). В физике сильных взаимодействий есть целый раздел, условно называемый "КХД при малых x" -- это по сути изучение глюонной плотности внутри адрона и тех динамических структур, которые в нем создаются.Насколько малым может стать x? До каких пор продолжается каскадное излучение глюонов? До тех пор, пока излученный партон не становится слишком мягким, т.е. неотличимым от типичной вакуумной флуктуации. Такие флуктуации уже не считаются принадлежащими протону. Если обозначить типичный энергетический масштаб сильных взаимодействий через μ (примерно 200-300 МэВ, радиус протона в системе покоя R ~ 1/μ), то минимальный x будет порядка μ/Eпротона.Продольный размер быстро летящего протонаДлина волны партона с долей импульса x есть 1/(xE) ~ 1/(x * γmp) (используются единицы c=h=1). Эта длина почти в (1/x) раз больше, чем "наивная" оценка толщины ультрарелятивистского протона 1/(γμ). Среди всех партонов, максимальную длину волны (порядка 1/μ) имеют партоны с минимальным x, и как уже сказано, таких партонов на самом деле очень много (правда, импульс они в целом несут небольшой). В итоге, возникает такая картина быстро летящего протона: он вовсе не сплющен, а имеет сопоставимые продольный и поперечный размеры (порядка 1/μ ~ 1 фм; впрочем, поперечный размер медленно увеличивается, но это очень слабая зависимость), причем не зависимо от гамма-фактора. Если мы перейдем в другую систему отсчета, где у протона еще больший импульс, то эта картинка сплющится, но мы вынуждены будем начать учитывать новые партоны, которые в предыдущей системе отсчета относились к вакуумным флуктуациям. И поэтому в целом картина остается примерно той же.Взаимодействие составных частицТо, что понятие "состава" составных частиц зависит от системы отсчета, не нарушет лоренц-инвариантность наблюдаемых величин, например, сечений процессов рассеяния. Когда сталкиваются два протона лоб в лоб при очень большой энергии, то детальное описание зависит от системы отсчета (см. рисунок ниже). В системе покоя одного протона мы видим второй налетающий протон со сложной структурой (т.е. со своим развившимся каскадом вторичных партонов). Но если мы теперь перейдем в другую систему отсчета, то часть этих партонов уже будет считаться отошедшей к структуре второго первого протона, а часть будет просто считаться взаимодействием. Свертка этих величин -- структура одного, структура другого, взаимодействие -- остается инвариантной.
Вот такие нетривиальные вещи следуют из одного лишь факта, что протон -- не "неделимый" кусок вещества с четкой границей, а динамический составной объект. Если кто хочет почитать подробнее, то могу порекомендовать лекции Владимира Грибова, прочитанные на Зимней школе ЛИЯФа в 1973 году. Перевод на английский доступен в архиве: hep-ph/0006158.В следующем посте я расскажу, что при очень высоких энергиях всё это описание изменяется, в результате чего протон всё-таки начинает уплощаться, но при этом он принимает форму двояко-вогнутой линзы.
Комментарии (0)