Od osmeré cesty ke kvarkovému modelu a kvantové chromodynami ce

1. Od osmeré cesty ke kvarkovému modelu a kvantové chromodynamice http://www-hep2.fzu.cz/~chyla/lectures/kvarky_historie.ppt • Shrnutí dnešního stavu • Nenápadný začátek: Yang a Mills • Osmerá cesta: Neeman a Gell-Mann • Kvarkový model: Zweig a Gell-Mann • Barevné kvarky: Greenberg a Nambu • Kvantová chromodynamika: Gross, Wilczek, Politzer Tři nejvlivnější práce nebyly časopisecky publikovány! M. Gell-Mann: The eightfold way: a theory of strong interaction symmetry G. Zweig: An SU(3) model for strong interaction symmetry and its breaking Y. Nambu: A systematics of hadrons in subnuclear physics Jsou na: http://www-hep2.fzu.cz/~chyla/#sec7

2. hmotnost Základní dnešní znalosti zákonů mikrosvěta jsou shrnuty ve standardním modelu Podle něj jsou základními stavebními kameny hmoty tři generace základních fermionů tj.částic se spinem 1/2, jež se dále dělí na kvarky a leptony Ústavní semínář FZÚ

3. Z barevných kvarků jsou složeny dobře známé částice, jako jsou například proton a neutron neutron= proton= U d U u d d Vše nasvědčuje tomu, že na rozdíl od leptonů kvarky v přírodě neexistují jako volné částice ale vždy jen uvnitř částic, jako jsou protony a neutrony. Experimentální data lze pochopit jen za předpokládu, že hadrony jsou bezbarvé kombinace kvarků. Ústavní semínář FZÚ

4. Patří do jedné třídy tzv. kalibračních teorií jež představují základní rámec pro popis sil v mikrosvětě. Síly mezi kvarky a leptony gravitační elektromagnetické slabé silné. Mají společnou charakteristiku: lze je popsat pomocí výměny zprostředkujících částic se spinem 1, tzv. intermediální vektorové bosony (IVB) Ústavní semínář FZÚ

5. osm barevných gluonů Silné síly • základní vlastnosti: • působí jen na barevné částice tj. kvarky i gluony • gluony interagují sami se sebou • jsouinvariantní vůči záměnám • vpravo ↔ vlevoa • částice ↔ antičástice • mají velmi neobvyklé chování na velkých vzdálenostech • jsou popsány kvantovou chromodynamikou (QCD) Ústavní semínář FZÚ

6. Síly jako celek tedy • nejsouinvariantní vůči prostorové inversi (P) • nejsouinvariantní vůči nábojové inverzi (C) • ani vůčikombinované inverzi CP • ale neměníkvarky na leptony Narušení P, C a hlavně CP invariance bylo zpočátku nevítané, neboť fyzikové očekávali, že přírodní zákony jsou vůči těmto „přirozeným“ symetriím invariantní i v mikrosvětě. Dnes se jasné, že právě narušení CP invariance sil v mikro- světě vděčíme za naši existenci, neboť bez něj by se vesmír nemohl vyvinout do dnešní podoby. Ústavní semínář FZÚ

7. efektivní barevný náboj Potenciál mezi kvarky Ústavní semínář FZÚ

8. Důvod, proč nelze proton „ionizovat“ jako atom vodíku je důsledkempozoruhodnýchvlastností „barevných“ sil působících mezi kvarky výsledkem vyrážení kvarku z protonu je úhlově kolimovaná sprška částic (piony, kaony, nukleony..) nazývaná jet. Ústavní semínář FZÚ

9. Srovnání závislostí elektromagnetických (čárkovaně), slabých (tečkovaně) a silných (plná čára) sil mezi dvěma kvarky či na vzdálenosti. Proč se nám zdají být různé síly tak rozdílně silné? Protože je porovnáme na vzdálenostech mnohem větších než je poloměr protonu,tj. rp=10-13 cm. Na vzdálenostech cca r<0.001 rp jsou elektromagnetické, silné a slabé síly skoro stejně velké. Této vzdálenosti odpovídají energie MEW≈ 100 GeV Ústavní semínář FZÚ

10. Nenápadný začátek

11. In the present paper we wish to exlore the possibility of requiring all interactions to be invariant under independent rotations of the isotopic spin at all space-time points,.. We then propose that all physical processes (not involving electromagnetic field) be invariant under the isotopic gau- ge transformation starting point: isotopic dublet of nucleons: 17. 12. 2009 11

12. tento požadavek je vedl na následující hustotu Lagrangiánu dnešní vektorové mesony Tři elektricky nabití kalibrační bosony a jejich samointerakce z tohoto tvaru automaticky vyplynuly Kvanta pole bmají spin jedna a isospin také jedna. Také známe jejich elektrické náboje, protože všechny interakce, které navrhujeme, splňují zákon zachování elektrického náboje, jenž platí přesně. 17. 12. 2009 Sto let od narození Václava Votruby 12

13. ale otázka jejich hmotnosti zůstala otevřená We next come to the question of the mass of the b-quantum, to which we do not have a satisfactory answer. One may argue that without a nucleon field the lagrangian would contain no quantity of the dimension of a mass and that therefore the mass of the b-quantum in such a case is zero. The argument is how- ever subject to the criticism that, like all field theories, the b-field is beset with divergences and dimensional arguments are not sarisfactory. b b hmotnost kalibračního bosonu je určena úplným propagátorem a YM vážně uvažovali možnost, že kalibrační bosony budou mít nenulovou hmotnost: A conclusion about the mass of the b-quantum is of course very important in deciding whether the proposal of the existen- ce of the b-field is consistent with experimental information. 17. 12. 2009 Sto let od narození Václava Votruby 13

14. Osmerá cesta

15. Osmerá cesta podle Y. Neemana

16. Jasně a jednoznačně napsaná práce, v níž je kalibrační teorie silných interakcí, v níž je původní teorie Yanga a Millse rozšířena na grupu vnitřní symetrie SU(3). Baryony se spinem ½ a pseudoskalární mezony jsou zařazeny do oktetů grupy SU(3)a je předpovězena existence oktetu vektorových mezonů, které v té době ještě nebyly známy.

17. Osmerá cesta podleM. Gell-Manna MGM’s preprint is truly remarkable for clarity with which the idea is presented.

18. The vector mesons are introduced in a very natural way, by extension of the the gauge principle of Yang and Mills. Here we have a supermultiplet of eight mesons. In the limit of unitary symmetry we have completely gauge-invariant and minimal theory like electromagnetism. and on another place Now the vector mesons themselves carry F spin and there- fore contribute to the current which is their source. The prob- lem of constructing a nonlinear theory of this kind has been completely solved in the case of isotopis spin by Yang and Mills and by Shaw. We have only to generalize their result (for three vector mesons) to the case of F spin and eight vector mesons.

19. leptons played the role of quarks: gauge transformations on all particles involved:

20. full Yang-Mills Lagrangian written out unique coupling noting that “There are trilinear and quadrilinear interactions amongst the vector mesons, as usual ...” But this preprint has never been published!!

21. instead we find in “Symmetries of Baryons and Mesons” In Section VIII we propose, as an alternative to the symmetrical Sakata model, another scheme with the same group, which we call ``eightfold way''.Here the baryons, as well as mesons, can form octets and singlets, and the baryons N, ,  and  are supposed to constitute an approximately degenerate octet. Nowhere does our work conflict with the program of the Chew et al. of dynamical calculation of the S-matrix from strong interactions using dispersion relations. If there are no fundamental fields …. all baryons and mesons being bound or resonant states of one another, models like Sakata will fail;the symmetry propertieswe have abstracted can still be correct, however. Remarkably, this paper does not mention the gauge principle and does not refer to Yang-Mills paper at all!

22. S-maticová teorie a bootstrap: teorie všeho? From G. Chew: S-Matrix Theory, (W.A. Benjamin Inc, 1963). I believethe conventional association of fields with strong interacting particles to be empty. It seems to me thatno aspect of strong interactions has been clarified by the field concept.Whatever success theory has achieved in this area is based on the unitarity of the analytically continued S-matrix plus symmetry principles. I do not wish to assert (as does Landau) that conventional field theory isnecessarily wrong, but only that it issterilewith respect to the strong interactions and that, like an old soldier, it is destined not to die but just to fade away… The notion, inherent in conventional Lagrangian field theory, that certain particles are fundamental while others are complex, is becoming less and less palatable …

23. 1961: rok objevů vektorových mezonů proceeding as quasi two-body process followed by ρ in May, Φ in July and ωin August 1961

24. Elementární částice známé v polovině roku 1962:

27. Objevy těchto dvou částic byly oznámeny v létě 1962 na konferenci v Ženevě Tyy

28. na základě této zprávy na konferenci v Ženevě tuto částici předpověděli Gell-Mann i Neeman

30. Historie kvarkového modelu

32. Předchůdci kvarkového modelu

33. Sakatův model: Proton, neutron a Lambda jsou základní částice, ostatní jsou jejich kombinacemi.

34. Dva zásadně odlišné pohledy na roli kvarků: Gell-Mann:pomocné matematické objekty Zweig a Nambu: fyzikální objekty

35. Kvarkový model podle Zweiga

36. Both mesons and baryons are constructed from a set of three fundamental particles, called aces.Each ace carries baryon number 1/3 and isfractionally charged. SU(3)is adopted as a higher symmetry for the strong inte- interactions.Extensive space-time and group theoretic structure is then predicted for both mesons and baryons … An experimental search for the aces is suggested.

38. Grafické znázornění vlnových funkcí baryonového oktetu

39. Zweigova cesta ke konstituentům hadronů začala snahou pochopit rozpady φ mezonu: Proč se rozpadá dominantně na a ne na piony? Zweig: protože je složen z páru podivných kvarků

40. Zweigovo pravidlo

42. Kvarkový model podle Gell-Manna

43. Pentakvarky!

44. popření kalibrační teorie

45. MGM’s view of the role of quarks (Physics 1 (1964), 63) In order to obtain such relations that we conjecture to be true, weuse the method of abstraction from a Lagrangian field theory model. In other words, we construct a mathematical theory of the stronglyinteracting particles, which may or may not have anything to do withreality, find suitable algebraic relations that hold in the model, postulatetheir validityand then throw away the model. We may compare thisprocess to a method some-timesemployed in French cuisine: a pieceof phea-sant meat is cooked between two slices of veal, which are thendiscarded.

46. Gell-Mann on quarks (summer 1967) The idea that mesons and baryons are made primarily of quarks is difficult tobelieve, since we know that, in the sense of dispersion theory, they are mostly, if not entirely,made up out of one another. The probability that a meson consists of a real quarkpair rather than two mesons or a baryon and antibaryon must be quite small. Thusit seems to me that whether or not real quarks exist, the q or q wehave been talking aboutare mathematical entities ...... If the mesons and baryons are made of mathematical quarks, then the quark model mayperfectly well be compatible with bootstrap hypothesis, thathadrons are made up outof one another.

47. In 1972 quarks were still not taken seriously In Summer 1972 Gell-Mann and Fritzsch presented their view at XVI ICHEP in Chicago in a contribution called Current Algebra: Quarks and WhatElse? We assume here thatquarks do not have real counterparts that are detectable in isolationin the laboratory – they are supposed to bepermanently bound inside mesonsand baryons.........It might be a convenience to abstract quark operators themselves, or other non–singlets with respect to color, …,but it is not a necessity. It may not even be much of aconvenience since we would .... be discussing a fictitiousspectrum for each fictitious sector of Hilbert space, and we probably don’t want to loadourselves with so much spurious information.

48. Their hope that We might eventually abstract from the quarkvector–gluon field theory model enoughalgebraic information about the color singlet operators in the model to describe all thedegrees of freedom that are present. and thus We would havea complete theory of the hadrons and their currents, and we need never mention anyoperators other than color singlets. • has not been born outby further theoretical developments and experimental results, in particular those on • heavy quarkonia spectra and • jet phenomena tj. kvarky podle Zweiga which require that we treat quarks and gluons in the same way as leptons and basically forget about confinement.

49. Confinement: consequence or source of nuclear democracy? M. Gell-Mannat 1992 ICHEP: I was reflecting that if those objects (i.e. quarks) could not emerge to be seen individually, then all observable hadrons could still have integral charge and also the principle of “nuclear democracy” could be preserved unchanged for observable hadrons. With this proviso, the scheme appealed to me. For MGM nuclear democracy was fundamental principle of strong interactions andconfinement its consequence: Since I was always convinced that quarks would not emerge to be observed as single particles (“real quarks”), I never paid much attention to the Hahn-Nambu model in which their emergence was supposed to be made possible by giving them integral charges.

50. Slepá ulička: kvarky s celočíselnými náboji