Квантовая хромодинамика: Введение в теорию кварков и глюонов

F. J. Yndurain

Quantum

Chromodynamics

An Introduction to the Theory of Quarks and Gluons

Springer-Verlag

New York Berlin

Heidelberg Tokyo

1983

Ф. Индурайн

Квантовая

хромодинамика

Введение в теорию кварков и глюонов

Перевод с английского А.А. БЫКОВА

под редакцией

д-ра физ.-мат. наук И.М. Дремина

Москва

«Мир» 1986

ББК

22.382

И60

УДК

539. 12

Индурайн Ф.

И60

Квантовая хромодинамика: Введение в теорию кварков и глюонов: Пер. с англ. — М.: Мир, 1986 - 288 с., ил.

Книга испанского физика Ф. Индурайна представляет собой курс современной теории сильных взаимодействий — квантовой хромодинамики. Она содержит практически весь основной материал, необходимый для ознакомления с важнейшими результатами, полученными в рамках пертурбативной КХД, и овладения вычислительными методами теории. Материал изложен с приведением всех промежуточных выкладок и с большим педагогическим мастерством, что позволяет использовать книгу в качестве учебного или справочного пособия.

Книга предназначена для научных работников, студентов и аспирантов физических факультетов, специализирующихся в области физики элементарных частиц.

И

1704070000 - 149

73 - 86, ч. 1

041(01)— 86

ББК 22.382

530.4

Редакция литературы по физике

©

by Springer-Verlag Berlin Heidelberg 1983 All Rights Reserved. Authorized translation from English language edition published by Springer-Verlag New York — Berlin — Heidelberg — Tokyo

©

перевод на русский язык, дополнения, исправления, ”Мир”, 1986.

Предисловие редактора перевода

Термин "квантовал хромодинамика" (КХД) стал одним из самых популярных в физической литературе, посвященной взаимодействиям частиц. Так называется теория взаимодействий кварков и глюонов — основных составляющих сильновзаимодействующих частиц (адронов). Фактически КХД является единственным серьезным кандидатом, претендующим на описание структуры адронов и процессов их соударений.

Историю КХД можно разделить на три десятилетних этапа. Около 30 лет назад (в 1954 г.) были сформулированы основы неабелевых калибровочных теорий — фундамент КХД. Понятий "кварк" и "глюон" тогда еще не существовало. Они появились спустя десять лет и вначале никак не связывались с математическим аппаратом неабелевых теорий, казавшимся в то время чисто формальным. Понадобилось еще почти десятилетие, чтобы синтез этих двух идей привел к формулировке КХД - существенно нелинейной теории взаимодействия кварков и глюонов — объектов, не наблюдавшихся в свободном состоянии, но входящих в состав адронов и полностью определяющих их взаимодействия.

Существенная нелинейность теории, проявляющаяся в самодействии глюонов, приводит к важным физическим следствиям. Одним из них является свойство "асимптотической свободы", т.е. уменьшение "константы" взаимодействия кварков и глюонов при их сближении до очень малых расстояний. Оно играет важную роль в процессах с большой передачей импульса и облегчает теоретикам задачу вычисления характеристик таких процессов, допуская применение методов теории возмущений.

Вместе с тем на "больших" расстояниях (> 1 ферми = 10 – 13см), видимо, эта же нелинейность приводит к таким силам между кварками и глюонами, которые не позволяют этим объектам появляться в свободном состоянии. Именно трактовка эффектов, связанных с большими расстояниями, является "камнем преткновения" КХД; с нею связаны основные нерешенные проблемы. А важность этих проблем нельзя недооценивать. Даже в упомянутых выше "жестких" процессах с большой передачей импульса между кварками или глюонами в экспериментах наблюдаются лишь их совокупности - адроны, а не кварки и глюоны сами по себе. Значит, процесс перехода от языка кварков и глюонов к языку физических адронных состояний должен быть строго описан в рамках теории. Но эти превращения происходят на достаточно больших расстояниях, где в нашем распоряжении пока нет адекватного математического метода решения уравнений квантовой хромодинамики.

Таким образом, квантовая хромодинамика еще находится в периоде становления. Вместе с тем многие важные вопросы здесь уже выяснены, и полученные теоретические результаты применяются при интерпретации и описании экспериментальных данных. Книга Ф. Индурайна подводит итог десятилетнему этапу развития КХД, достаточно полно отражая все успехи и пока еще не поддающиеся решению проблемы.

Поскольку эта книга возникла в результате обработки лекций, читавшихся студентам, изложение в ней построено по принципу перехода от простого к сложному с подробным разъяснением всех вновь вводимых понятий. Предполагается, что читатель уже знаком с основами квантовой теории поля. Используется стандартная операторная формулировка квантовой хромодинамики и лишь в конце книги уделено некоторое место функциональным методам. Естественно, что при сравнительно небольшом объеме книги автору пришлось ограничиться наиболее разработанными частями КХД.

Две главы книги отведены применениям КХД к жестким процессам и к структуре адронов, т.е. помимо расчетов по теории возмущений автору приходится упоминать и о методах, выходящих за ее рамки. Однако многие из них еще не доросли до того уровня, который позволил бы включить их в учебную литературу, поэтому они лишь кратко упоминаются. Читателю, желающему подробнее ознакомиться с этими подходами (например, с решеточными моделями, с 1/N-разложением и т.п.), придется обращаться к обзорным статьям в журналах или же к другим более специализированным пособиям по квантовой хромодинамике. Сейчас уже имеется около десяти книг на русском языке, которые в той или иной мере касаются вопросов, рассматриваемых в книге Индурайна, трактуя их иногда под несколько другим углом зрения. Поэтому можно сказать, что учебная литература по взаимодействиям кварков и глюонов достаточно обширна, чтобы подвести читателя к изучению обзорных и оригинальных статей по затрагиваемым здесь проблемам. Несомненно, книга Индурайна займет в ней одно из центральных мест.

Она будет весьма полезна студентам старших курсов и аспирантам, специализирующимся по теории взаимодействий частиц, при изучении ими современных методов расчета в квантовой теории поля. Конечно, и специалисты, уже активно работающие в этих направлениях, будут использовать ее как краткое справочное пособие по основам квантовой хромодинамики и ее приложениям ко многим адронным процессам на современном этапе развития этой бурно прогрессирующей области физики.

Для издания на русском языке автор несколько переработал и дополнил отдельные главы книги с учетом последних достижений квантовой хромодинамики. При переводе были устранены замеченные неточности и опечатки. В ряде мест даны небольшие примечания, поясняющие мысль автора или используемую терминологию.

И.М. Дремин

ПРЕДИСЛОВИЕ

Около тридцати лет назад, в 1954 г., Янг и Миллс опубликовали результаты своих исследований по теории калибровочных полей [276]. Сейчас можно почти с уверенностью сказать, что развитая на этой основе неабелева калибровочная теория — квантовая хромодинамика — способна адекватно описывать процессы, происходящие при сильных взаимодействиях частиц. И хотя мы еще не до конца понимаем содержание квантовой хромодинамики, но уже получены важные теоретические результаты, многие из которых подтверждены экспериментально, позволяющие дать последовательную и непротиворечивую интерпретацию КХД.

Конечно, любое изложение КХД нельзя считать полным, так как сама теория еще развивается. Это нашло свое отражение в выборе вопросов, рассмотренных в книге. Я пытался обсуждать только те аспекты теории, трактовка которых, по-видимому, не изменится в будущем. В частности, рассматривались только те результаты, вывод которых из "первых принципов" требует минимального числа произвольных допущений. Несомненно, мои личные склонности также повлияли на выбор излагаемого материала. Любой из нас неизбежно стремится уделить больше внимания предмету, с которым он хорошо знаком, и избежать обсуждения вопросов, в которых он не является специалистом. Я не буду останавливаться на перечислении тех вопросов, которые, может быть, следовало включить в книгу (см. § 46 ) 1). Список литературы должен в некоторой степени восполнить эти пробелы.