ТАВХЕЛИДЗЕ

АЛЬБЕРТ НИКИФОРОВИЧ

1930-2010

АКАДЕМИК РОССИЙСКОЙ АКАДЕМИИ НАУК,

доктор физико-математических наук,

профессор

К вопросу об открытии квантового числа «ЦВЕТ»

Недавно Москву и Дубну посетил выдающийся американский физик-теоретик Мюррей Гелл-Манн. В интервью еженедельнику "Московские новости" (2007, №40) среди крупных достижений последних десятилетий он отметил открытие «цвета». Мне, как соавтору этого открытия, сделанного совместно с академиком Н.Н.Боголюбовым и профессором Б.В.Струминским, хотелось бы дать комментарий исторического характера с целью подчеркнуть приоритет ученых ОИЯИ (г. Дубна) в этой области. Хотя, пожалуй, вначале стоит пояснить его значение и связь с современной научной картиной 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, и 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 широко пользуемся в нашей повседневной жизни, и они, наряду с ядерными силами, обеспечивают устойчивость атомов, то есть существование мира, в котором мы живем. Благодаря слабым силам, присущим элементарным частицам материи, в частности, рождаются нейтрино, которые, наряду с электромагнитным излучением, несут уникальную информацию об эволюции Вселенной. Электромагнитные и слабые силы суть проявления единого электрослабого взаимодействия.

Хромодинамические ("цветодинамические") силы обусловлены наличием у кварков и глюонов, из которых состоят протоны и нейтроны, особой фундаментальной характеристики - квантового числа «цвет». Примечательно, что сами протоны и нейтроны не обладают этим квантовым числом, т.е. являются "бесцветными", или "белыми". Понятие «цвета» дает удобный физический образ для понимания того, как "бесцветные" объекты получаются из "цветных" с помощью комбинации трех различных основных «цвет», например, "красного", "синего" и "зеленого". Хромодинамические силы ответственны как за взаимодействие между кварками и глюонами внутри протонов и нейтронов, так и за ядерное взаимодействие между ними внутри ядра. Сильное, ядерное, взаимодействие протонов и нейтронов в ядре является вторичным, подобно тому, как межмолекулярное взаимодействие не является фундаментальным, а обусловлено электромагнитными силами.

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

Тот факт, что атомное ядро состоит из протонов и нейтронов, был установлен в тридцатые годы прошлого века. Для объяснения устойчивости атомного ядра предполагалось существование сильного взаимодействия между протонами и нейтронами. Детальное изучение и понимание природы этого взаимодействия, помимо важности для фундаментальной науки, приобрело также практическое значение, что диктовалось необходимостью развития ядерной энергетики как в мирных, так и военных целях.

К началу 60-х годов XX века выяснилось, что в ядерных взаимодействиях участвуют сотни разных частиц, которые тогда считались элементарными. Это число неуклонно росло по мере совершенствования возможностей эксперимента. Возникла проблема уточнения самого понятия элементарности частицы.

Поворотным пунктом стала гипотеза М.Гелл-Манна и Д.Цвейга, выдвинутая в 1964 году, о том, что протоны, нейтроны и все т.н. адроны (частицы, участвующие в ядерных взаимодействиях) не являются элементарными, а образованы из более фундаментальных частиц, названных кварками. Кварковая модель адронов позволила свести их изучение к рассмотрению свойств всего лишь трех типов кварков и на этой основе классифицировать все адроны.

Следует отметить, что в модели Гелл-Манна и Цвейга кварки рассматривались как сугубо математические объекты. Будучи по своей природе фермионами, они не подчинялись принципу Паули, т.е. могли находиться одновременно в одном и том же состоянии. Кроме того, в модели не рассматривался вопрос о силах, которые удерживают кварки внутри адрона и не дают им вырваться из него.

Осенью 1964 года в Дубне на Рочестерской конференции профессор А.Салам в своем обзорном докладе коснулся, в частности, и кварковой модели Гелл-Манна и Цвейга. Обсуждая со мной этот доклад во время прогулки, Н.Н.Боголюбов в задумчивости произнес: «Знаете, Альберт Никифорович, все же кварки - не математические, а реальные физические объекты».

Это и была исходная идея нашей работы по изучению кварков, приведшая в результате к введению новых квантовых чисел, впоследствии названных "цветом". Мы предположили, что кварки, образовывая бесцветные адроны, могут находиться в трех возможных цветовых состояниях. Это позволило обеспечить выполнение принципа Паули и, что не менее важно, введение цвета не поменяло динамических электромагнитных характеристик адронов, рассчитанных в рамках SU(6) симметрии.

В упомянутой выше нашей совместной с Н.Н.Боголюбовым и Б.В.Струминским работе была также предложена динамическая модель, предсказывающая весьма необычное, парадоксальное свойство взаимодействия между кварками: внутри адронов они находились в квазисвободном состоянии, однако "вытащить" их оттуда было невозможно. То есть, как сейчас говорят, кварки должны находиться в "вечном заточении" в адронах.

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 («цвет») 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 «цвет» может играть роль заряда, создающего вокруг себя "хромодинамическое" силовое поле, которое может осуществлять взаимодействие между кварками и которое является прообразом современных глюонов, удерживающих кварки в адронах.

Важным этапом обоснования динамической модели квазинезависимых кварков явилось получение в ее рамках В.А.Матвеевым, Р.М.Мурадяном и мною формулы "кваркового счета", блестяще подтвержденной в экспериментах. В нашей совместной работе с Н.Н.Боголюбовым и В.С.Владимировым был доказан локальный характер взаимодействия между кварками, который в принципе может обеспечить квазисвободное поведение кварков внутри адронов.

В начале семидесятых годов прошлого века благодаря блестящим экспериментальным и теоретическим работам, выполненным в ядерно-физических центрах мира, модель цветных кварков, связанных хромодинамическими силами, которые обеспечивают квазисвободное состояние кварков внутри адронов, 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) в 1988 году была присуждена Ленинская премия .