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.