|
|
В.А. Шашлов
Адроны обладают жестким керном, имеющим форму поверхности Боя. Кварки образованы лепестками поверхности Боя. Цветовое взаимодействие и конфайнмент – результат взаимопроникновения лепестков поверхности Боя. Взаимодействие между адронами, обладающее энергией (10 – 100) Мэв, создается кулоновским взаимодействием кварков, сближенных на расстояние (10-2 – 10-3) радиуса адронов.
Цель работы
Цель работы – предложить новое понимание природы адронов, кварков, глюонов и сильного взаимодействия.
Содержание работы
В первой части описана модель адрона в виде поверхности Боя, лепестки которой выполняют функцию кварков.
Во второй части описан механизм сильного взаимодействия внутри адронов.
В третьей части описан механизм сильного взаимодействия между адронами.
I. Новая концепция строения адронов
В Стандартной модели исходными структурными элементами адронов являются кварки. Кварки рассматриваются, как фундаментальные (независимые) частицы, поэтому для их объединения в адроны требуется сильное взаимодействие, которое осуществляется посредством обмена глюонами.
Такое понимание адронов, кварков, глюонов и сильного взаимодействия оставляет множество нерешенных проблем, главной из которых является проблема конфайнмента.
В данном разделе предлагается модель строения адронов, в которой проблема конфайнмента даже не возникает.
В соответствие с предлагаемой моделью, центральная часть адронов представляет собой поверхности Боя.
Точнее, в центре адрона располагается жесткий керн, имеющий форму поверхности Боя.
Поверхность Боя имеет 3 лепестка, которые естественно отождествить с кварками. Лепестки являются неотъемлемыми частями поверхности Боя, что является первопричиной конфайнмента кварков.
Примечание. «Удержание» кварков в адронах не требует какого-либо взаимодействия: это чисто геометрическая связь лепестков поверхности Боя.
Согласно предлагаемой точке зрения, кварки не являются фундаментальными частицами, а образуются вместе с образованием адронов.
В свою очередь, адроны образуются, когда поверхность Боя соединяется еще с одним объектом: связкой аффинно-проективных прямых. Такое соединение имеет место, когда центр связки совмещается с центром (тройной точкой) поверхности Боя.
При совмещении указанных центров, связка распределяется по трем лепесткам поверхности Боя, вследствие чего с каждым лепестком связывается либо 1/3, либо 2/3 доли связки: так происходит формирование нижних и верхних кварков.
Примечание. Второй вариант реализуется, когда на лепесток переходит доля связки, принадлежащая соседнему лепестку. Один из лепестков может оказаться свободным: в этом случае образуются мезоны.
Составляющие связку прямые наделяют центральные керны частиц массой, зарядом, спином: масса порождается натяжением, заряд – вращением, а спин – кручением аффинно-проективных прямых связки [1].
Итак, связки прямых являются носителем 3-х главных свойств частиц материи, создавая инертные свойства частиц, выполняя функцию электрических силовых линий и придавая частицам собственный (спиновый) момент количества движения. Выполнение связками этих 3-х важнейших физических функций является веским аргументом в пользу реального существования связок: составляющие связку прямые не только заменяют виртуальные фотоны и гравитоны, но также порождают спин частиц.
Примечание. Связки вводятся не для того, чтобы объяснить какое-то одно фундаментальное свойство материи (это нельзя было бы назвать «объяснением»), а для объяснения всех свойств, которыми обладают частицы материи.
Масса лепестка поверхности Боя сконцентрирована в его барицентре, а заряд и спин – в вершине лепестка, где происходит фокусирование прямых связки.
Примечание. Кварки являются не точками, а объектами со сложной структурой: масса, заряд и спин расположены в разных точках этих объектов.
Перечислим достоинства, которыми обладает модель адрона на основе поверхности Боя по сравнению с тем, что предлагает Стандартная модель.
1) Получает объяснение, почему существует 6 и только 6 кварковых ароматов.
Доля связки, которая может быть связана с одним лепестком, может принимать только 2 значения: 1/3 и 2/3. Из этого следует, что может существовать только 2 класса кварков, различающихся значением заряда: нижние кварки с зарядом (1/3)е, и верхние кварки с зарядом (2/3)е, е – единичный заряд, порождаемый связкой прямых.
Прямые, составляющие каждую из долей связки, могут принадлежать одной из компонент 3-связного пространства. Натяжение прямых, проходящих через каждую из этих 3-х компонент, имеет различную величину, что порождает разные значения массы и обуславливает существование 3-х семейств частиц материи [1].
Это означает, что общее количество возможных разновидностей кварков равно 2*3 = 6: эти разновидности составляют 6 кварковых ароматов.
2) Из физической картины мира исключаются квантовое число «цвет» и «цветовой заряд», как не имеющие физического смысла.
Каждый кварк образуется на отдельном лепестке, поэтому даже если все 3 кварка являются тождественными и имеют одинаковые спины, они вполне могут разместиться на 3-х лепестках поверхности Боя.
Чтобы лепестки поверхности Боя связывались друг с другом, нет необходимости приписывать им цветовые заряды: связь между лепестками является внутренним (имманентным) свойством поверхности Боя.
Примечание. Каждый из 3-х лепестков поверхности Боя можно «покрасить» в любой из 3-х дополнительных цветов, после чего использовать весь формализм квантовой хромодинамики. Однако это «окрашивание» не является причиной взаимодействия кварков, поскольку лепестки жестко соединены друг с другом в силу геометрических свойств поверхности Боя: цветовой заряд – это теплород ХХ века.
3) Находит объяснение спектр адронов.
Полный спектр адронов получается, как результат всех возможных способов распределения связок прямых по лепесткам поверхности Боя.
Когда связки распределяются по всем трем лепесткам поверхности Боя, получаются барионы, а если только по двум лепесткам – мезоны. При этом, каждый лепесток может служить носителем кварка любого из 6 ароматов.
Вместе с тем, автоматически исключаются комбинации кварков с суммарным зарядом дробной величины: заряд адронов является целочисленным, поскольку связка прямых может являться носителем только 3-х зарядов: 0, ± 1, ±2.
4) Вычисление магнитных моментов адронов.
Причина, по которой адроны обладают магнитным моментом, заключается в том, они находятся в состоянии вращения. Это вращение создается спиновыми моментами, приложенными в вершинах лепестков поверхностей Боя. Поскольку спины жестко связаны с кернами, то спиновые моменты приводят во вращение адроны, как целое. Положение оси вращения и круговая частота определяются законом сложения вращений.
Кварки занимают в адронах фиксированные положения, поэтому при вращении вместе с адронами, образуют круговые токи: эти токи создают магнитные моменты.
Примечание. Магнитный момент нейтрона вычислен в [2], однако с помощью данного механизма можно вычислить магнитные моменты всех остальных адронов.
Если описанная модель адрона соответствует действительности, то становится ясно, как решить проблемы сильного взаимодействия:
1. внутри адронов сильное взаимодействие не требуется: лепестки поверхности Боя (одностороннего трилистника) принадлежат трилистнику, как неотъемлемые элементы, поэтому для «удержания» лепестков не требуется никакого взаимодействия,
2. сильное взаимодействие между адронами формируется, когда адроны сближаются вершинами своих лепестков, и кварки оказываются на расстоянии, меньшем размера самих адронов: за счет этого, кулоновское взаимодействие кварков достигает интенсивности сильного взаимодействия.
В следующих 2-х разделах обе эти идеи будут рассмотрены более подробно.
II. Сильное взаимодействие между кварками
В Стандартной модели сильное взаимодействие описывается по аналогии с электромагнитным взаимодействием. Основное отличие заключается в том, что вместо одного электрического заряда, способного иметь 2 знака (+) и (-), вводятся 3 «цветовых» зарядов, каждый из которых также способен принимать 2 знака («антицветовые заряды»). По этой причине калибровочная группа симметрии расширяется: для электромагнитного взаимодействия эта группа имеет вид U(1), а для сильного взаимодействия – SU(3).
Примечание 1. Положительные и отрицательные электрические заряды имеют единую природу в виде связок аффинно-проективных прямых: (+) и (-) заряды различаются лишь ориентацией этих прямых.
Примечание 2. Стандартная модель не выявляет физический смысл «внутренних» пространств, в которых действуют группы U(1) и SU(3).
Механизм сильного взаимодействия тот же самый: обмен глюонами, имеющими нулевую массу и спин S = 1. Отличие от фотонов в том, что глюоны сами являются носителями цветового заряда, причем, сразу 2-х зарядов: цветового и антицветового.
Чтобы имелась возможность преобразования друг в друга всех 6 цветовых и антицветовых зарядов, количество типов глюонов должно быть равным 8: эти 8 типов глюонов осуществляют взаимодействие между кварками, удерживая их в адронах.
В модели адронов на основе поверхности Боя необходимости в глюонах нет: кварки связаны друг с другом в силу того, что лепестки поверхности Боя взаимно проникают друг в друга.
Поверхность Боя математически эквивалентна проективной плоскости (RP2), погруженной в 3-мерное пространство (Википедия: «Поверхность Боя»). Покажем, что группа преобразований RP2-плоскости имеет такое же строение, как группа SU(3).
Группа RP2 представляется матрицей 3х3, составленной из 9 вещественных чисел, заданных с точностью до произвольного множителя (поскольку матрица осуществляет преобразование однородных координат). Это означает, что количество независимых параметров в данной группе равно (9 - 1) = 8.
Группа SU(3) также представляется матрицей 3х3, однако эти 9 чисел являются комплексными, поэтому число вещественных параметров равно 2*9 = 18. Условие унитарности уменьшает число параметров в 2 раза, и один параметр исключается благодаря равенству единице определителя данной матрицы. В итоге, количество независимых параметров также равно (18/2 - 1) = 8.
На основании этого можно сделать вывод, что группы SU(3) и RP2 являются изоморфными. Если это действительно так, то все результаты квантовой хромодинамики переносятся в модель адронов на основе поверхности Боя.
Таким образом, данная модель выявляет физический смысл квантовой хромодинамики, а именно, физический смысл кварков и природу взаимодействий между ними: кварки – это лепестки поверхности Боя, а взаимодействие между ними обеспечивается взаимосвязью лепестков поверхности Боя.
Примечание 1. Предлагаемая модель производит по отношению к сильному взаимодействию ту же операцию геометризации, которую произвела по отношению к гравитационному взаимодействию Общая теория относительности: поверхность Боя выполняет функцию внутреннего пространства цветового взаимодействия.
Примечание 2. В предыдущих работах автора был выявлен физический смысл внутреннего пространства электромагнитного взаимодействия с калибровочной группой U(1): это множество всех вещественных проективных прямых RP1: именно RP1-прямые являются носителем электромагнитного взаимодействия.
Остается вопрос: «Каков физический смысл глюонов: ведь они экспериментально обнаружены в трехструйных событиях?».
Модель адронов на основе поверхности Боя дает следующий ответ: глюон – это оторванный лепесток поверхности Боя, с навитой RP1-прямой.
Примечание. Кварковые струи порождаются оторванными лепестками, с которыми связаны 1/3 или 2/3 доли связки проективных прямых.
Данная модель объясняет, почему свойства глюона аналогичны свойствам фотона, который также порождается одной-единственной RP1-прямой [1].
Данное строение глюона означает, что масса и заряд глюона должны быть равны нулю, а спин – единице: масса и заряд создаются полными связками прямых (или 1/3 и 2/3 долями связок), тогда как спин в данном направлении – всего одной RP1-прямой.
III. Сильное взаимодействие между адронами
Модель адронов с жестким керном в виде поверхности Боя, в вершинах лепестков которой располагаются кварковые заряды, позволяет выявить природу сильного взаимодействия, которое возникает при сближении адронов на расстояние, сравнимое с их собственными размерами.
При таком сближении, вершины лепестков поверхностей Боя данных адронов могут прийти в непосредственное соприкосновение, в результате чего расстояние между расположенными в этих вершинах кварковыми зарядами станет много меньше размера самих адронов. Это расстояние ограничивается удвоенной толщиной лепестка, которая может составлять сотые или даже тысячные доли Фм. На таком расстоянии энергия кулоновского взаимодействия кварков достигает величины (10 – 100) Мэв, характерной для сильного взаимодействия.
Такое понимание природы сильного взаимодействия позволяет объяснить все свойства, которые обнаружены экспериментально.
1) Зависимость от расстояния.
На расстояниях, больших размера адронов, кварковая структура и данное взаимодействие не проявляются. Эффект становится заметным только когда адроны приходят в непосредственный контакт друг с другом.
Это хорошо видно на примере адронов (в частности, нуклонов), которые содержат, как (+), так и (-) заряженные кварки. Данные адроны можно представлять в виде диполей, которые при сближении друг с другом разворачиваются противоположно заряженными концами и притягиваются. Именно таким является механизм образования атомных ядер: ядра представляют собой нуклонные конструкции, построенные путем объединения кварков соседних нуклонов в кварковые узлы [3].
Примечание. Если данная модель соответствует действительности, то адроны, составленные из кварков одного знака, должны испытывать только отталкивание. Данный вывод можно проверить при столкновении достаточно плотных пучков одноименно заряженных пионов.
2) Зависимость от взаимной ориентации спинов взаимодействующих адронов.
Интенсивность взаимодействия пар или троек кварковых зарядов, находящихся на фиксированных расстояниях друг от друга, зависит от направления, вдоль которого происходит сближение данных частиц. Спиновый момент количества движения ориентирован перпендикулярно плоскости, в которой расположены 3 кварка, поэтому зависимость от ориентации этих плоскостей означает, что сильное взаимодействие должно существенным образом зависеть от спинов.
3) Изменение знака взаимодействия на расстоянии ~ 0,4 Фм.
Изменение знака сильного взаимодействия с притяжения на отталкивание объясняется тем, что на расстоянии ~ 0,4 Фм керны адронов приходят в соприкосновение, и дальнейшее уменьшение расстояния становится невозможным.
Примечание. Несложно убедиться, что в рамках предложенной модели строения адронов находят объяснение все остальные свойства сильного взаимодействия: зарядовая симметрия, насыщение, нецентральный характер.
Заключение
Основное утверждение данной работы состоит в том, что сильное взаимодействие не является фундаментальным:
1) внутри адронов сильное взаимодействие сводится к геометрическим свойствам односторонней 3-лепестковой поверхности Боя,
2) вне адронов функцию сильного взаимодействия выполняет кулоновское взаимодействие кварков, сближенных на расстояние в сотые и тысячные доли Фм.
Сильное взаимодействие между адронами имеет место благодаря расположению кварков в вершинах лепестков поверхности Боя. Такое расположение позволяет кваркам, входящим в состав контактирующих адронов сближаться на расстояние, много меньшее размеров самих адронов, в результате чего энергия кулоновского взаимодействия кварков достигает характерной для сильного взаимодействия величины (10 – 100) Мэв.
Важное достоинство предлагаемого понимания природы сильного взаимодействия состоит в том, что позволяет получить ответ на один «застарелый» вопрос теоретической физики, который носит название «сильная СР-проблема»: «Почему сильное взаимодействие не нарушает СР-симметрию?». Решение состоит в том, что сильное взаимодействие не является фундаментальным. Внутри адронов сильное взаимодействие сводится к чистой геометрии, а вне адронов – к кулоновскому взаимодействию: в обоих случаях нарушения СР-симметрии не происходит.
Выводы
1. В центре адрона находится жесткий керн, имеющий форму одностороннего трилистника (поверхности Боя).
2. Кварки образованы на основе лепестков поверхности Боя, причем кварковые заряды и спины располагаются в вершинах лепестков.
3. Полный спектр адронов получается в результате всех возможных способов распределения связок RP1-прямых по трем лепесткам поверхности Боя.
4. Конфайнмент кварков обеспечивается взаимопроникновением лепестков поверхности Боя.
5. Группа симметрии SU(3) цветового взаимодействия изоморфна группе преобразований RP2-плоскости, из которой формируется поверхность Боя.
6. Цветовое взаимодействие обусловлено геометрическими свойствами жесткого керна адронов в форме поверхности Боя.
7. Трехструйные события возникают, когда происходит разделение поверхности Боя на 3 лепестка.
8. Кварковые струи порождаются отделенными от поверхности Боя лепестками, соединенными с 1/3 или 2/3 долями связки RP1-прямых.
9. Глюонная струя образуется отделенным от поверхности Боя лепестком, соединенным с одной-единственной RP1-прямой.
10. Сильное взаимодействие между адронами создается кулоновским взаимодействием кварков на расстояниях в сотые и тысячные доли Фм.
11. Исключение сильного взаимодействия из числа фундаментальных взаимодействий решает сильную СР-проблему.
12. Атомные ядра представляют собой нуклонные конструкции, образованные путем объединения кварков соседних нуклонов в кварковые узлы.
ЛИТЕРАТУРА
1. В.А. Шашлов, Тайна Мироздания // «Академия Тринитаризма», М., Эл № 77-6567, публ. 27095, 19.04.2021
2. В.А. Шашлов, На пути к истинной структуре нуклона // «Академия Тринитаризма», М., Эл № 77-6567, публ. 27168, 26.05.2021
3. В.А. Шашлов, На пути к истинной структуре ядра // «Академия Тринитаризма», М., Эл № 77-6567, публ. 27187, 05.06.2021
В.А. Шашлов, Существует ли сильное взаимодействие? // «Академия Тринитаризма», М.,
 |