6. Свойства кварков и глюонов из экспериментов по е⁺е^-- аннигиляции

    Детальное изучение свойств партонов − кварков и глюонов − было выполнено при столкновении электронов с позитронами. Такие эксперименты проводились на ускорительном комплексе в Гамбурге (Германия) и в С ЛАК (США).

6.1. Спин кварка

    В процессе аннигиляции е⁺е^- могут образовываться пары лептонов (е⁺е^-, μ⁺μ^-, τ⁺τ^-) (рис. 44а). В результате этого процесса могут образовываться также пары кварков q, которые регистрируются детектором как кварковые и антикварковые струи (рис. 44а, 45).

Рис. 44. Процесс аннигиляции: а − диаграмма процесса е+е- в лептоны и кварки; 6 − угловое распределение лептонов и осей кварковых струй в процессе е+е-.

    Угловое распределение лептонов (е, μ, τ), имеющих спин ((1/2)ћ) (рис. 446), описывается соотношением

dσ/dΩ ≈ (1 + cos²θ).

Оказалось, что угловое распределение осей кварковых струй описывается такой же зависимостью. Таким образом, было показано, что спин кварка J = (1/2)ћ.

Рождение глюонных струй как следствие излучения глюона кварком

    На рис. 45 изображен процесс образования трех струй при аннигиляции е⁺е^- → q + + g.

Рис. 45. Процесс образования трех струй: а − диаграмма процесса аннигиляции е+е- → q c последующим испусканием глюона g одним из кварков; б − трехструнное событие, соответствующее приведенной диаграмме. По концентрическим окружностям расположены детекторы, окружающие точку соударения е+е- и фиксирующие траектории адронов в соответствующих струях.

6.2. Наличие цвета у кварка

    Существование цвета у кварков было доказано в экспериментах по изучению процесса аннигиляции е⁺е^- → адроны. На рис. 46 представлено отношение сечения этого процесса к сечению процесса е⁺е^- → лептоны

Рис. 46. Отношение R в зависимости от энергии √s, полученное в различных экспериментах по е+е--соударениям.

    Сечение процесса е⁺е^- → адроны пропорционально сумме квадратов зарядов кварков, ответственных за образование адронов, ∑ (Q_i/e)², где i − сорт кварка. Сечение процесса е⁺е^- → μ⁺μ^- зависит от энергии (√s) и может быть вычислено по КЭД:

Таким образом, R = ∑ (Q_i/e)²/80 нб/s.
    При s < 3 ГэВ² рождаются u, d, s кварки и

если g = 3. Величина 3 учитывает существование трех цветов у каждого кварка.
    Значения R, вычисленные для разных значений энергий, отличаются друг от друга на величину ΔR, определяемую вкладом зарядов соответствующих кварков. Так, при рождении и, d, s кварков (резонансы ρ, ω, ¢) R = 2, если учесть, что каждый из кварков имеет 3 цветовых заряда (g = 3). С увеличением энергии начинают рождаться адроны, в состав которых входят с- (J/ψ и ψ(2S)) и b-кварки (). Тогда R = R_uds + ΔR_c + ΔR_b, где ΔR_c = 4/3, a ΔR_b = 1/3. Таким образом, R_udscb = 11/3. Ход зависимости имеет скачкообразный характер.
    Скачки отношения R наблюдались в экспериментах (см. рис. 46) и соответствуют тому, что в увеличением энергии начинают рождаться частицы, содержащие все более тяжелые кварки (с и b). Каждый кварк должен иметь три новых квантовых числа (g = 3). Это число было названо цветом. В дальнейшем для простоты пояснения было принято обозначать эти квантовые числа словами "красный", "синий", "зеленый". Сумма этих квантовых чисел равна 0. Иными словами, сумма трех цветов дает бесцветное состояние. Каждый кварк должен иметь три новых квантовых числа.
    В этих экспериментах не хватило энергии ускорителя для генерации t-кварков. t-кварки были открыты в экспериментах на Тэватроне и их масса оказалась равной 174 ГэВ/с2. Дальнейшее увеличение энергии ускорителя позволило наблюдать Z⁰-резонанс (m_Z = 91.2 ГэВ/с2).

6.3. Определение потенциала взаимодействия между кварками

    Потенциал взаимодействия между кварками был определен в экспериментах по е⁺е^--соударениям с рождением кваркониев. Мезоны, состоящие из с- и -кварков, получили название чармониев; мезоны, состоящие из b- и -кварков − боттомониев. На рис. 47 показан спектр чармониев, а на рис. 48 − спектр боттомониев.

Рис. 47.Спектр чармониев.

Рис. 48. Спектр боттомониев.

    Переходы из одного энергетического состояния в другое сопровождаются испусканием γ-квантов. На опыте измерялись энергии испущенных фотонов в системах кваркониев. Измеренные спектры фотонов были согласованы с вычисленными в предположении о виде потенциала взаимодействия между кварками. Наилучшее согласие между измеренными и вычисленными спектрами получились в предположении о потенциале взаимодействия между кварками в виде V = −αs + æ·r. Особого внимания заслуживает член, описывающий рост потенциала взаимодействия с увеличением расстояния между кварками. Наличие этого члена позволяет объяснить проблему конфайнмента − невылетания кварков из адронов.