Теория электрослабого взаимодействия.

В 70-е годы ХХ века в естествознании произошло выдающееся событие: два фундаментальных взаимодействия из четырех физики объединили в одно. Картина фундаментальных оснований природы несколько упростилась. Электромагнитное и слабое взаимодействия, казалось бы весьма разные по своей природе, в действительности оказались двумя разновидностями единого электрослабого взаимодействия. Теория электрослабого взаимодействия решающим образом повлияла на дальнейшее развитие физики элементарных частиц в конце ХХ века.

Главная идея в построении этой теории состояла в описании слабого взаимодействия на языке концепции калибровочного поля, в соответствии с которой ключом к пониманию природы взаимодействий служит симметрия. Одна из фундаментальных идей в физике второй половины ХХ века — это убеждение, что все взаимодействия существуют лишь для того, чтобы поддерживать в природе некий набор абстрактных симметрий. Какое отношение имеет симметрия к фундаментальным взаимодействиям? На первый взгляд, само предположение о существовании подобной связи кажется парадоксальным и непонятным.

Прежде всего о том, что понимается под симметрией. Принято считать, что предмет обладает симметрией, если предмет остается неизменным в результате проведения той или иной операции по его преобразованию. Так, сфера симметрична, потому что выглядит одинаково при повороте на любой угол относительно ее центра. Законы электричества симметричны относительно замены положительных зарядов отрицательными и наоборот.Таким образом, под симметрией мы понимаем инвариантность относительно некой операции.

Существуют разные типы симметрий: геометрические, зеркальные, негеометрические. Среди негеометрических есть так называемые калибровочные симметрии. Калибровочные симметрии носят абстрактный характер и непосредственно не фиксируются. Они связаны с изменением отсчета уровня, масштаба или значения некоторой физической величины. Система обладает калибровочной симметрией, если ее природа остается неизменной при такого рода преобразовании. Так, например, в физике работа зависит от разности высот, а не от абсолютной высоты; напряжение — от разности потенциалов, а не от их абсолютных величин и др. Симметрии, на которых основан пересмотр понимания четырех фундаментальных взаимодействий, именно такого рода. Калибровочные преобразования могут быть глобальными и локальными. Калибровочные преобразования, изменяющиеся от точки к точке, известны под названием "локальных" калибровочных преобразований. В природе существует целый ряд локальных калибровочных симметрий и необходимо соответствующее число полей для компенсации этих калибровочных преобразований.Силовые поля можно рассматривать как средство, с помощью которого в природе создаются присущие ей локальные калибровочныесимметрии. Значение концепции калибровочной симметрии заключается в том, что благодаря ей теоретически моделируются все четыре фундаментальных взаимодействия, встречающиеся в природе. Все их можно рассматривать как калибровочные поля.

Представляя слабое взаимодействие в виде калибровочного поля, физики исходят из того, что все частицы, участвующие в слабом взаимодействии, служат источниками поля нового типа — поля слабых сил. Слабо взаимодействующие частицы, такие, как электроны и нейтрино, являются носителями "слабого заряда", который аналогичен электрическому заряду и связывает эти частицы со слабым полем.

Для представления поля слабого взаимодействия как калибровочного прежде всего необходимо установить точную форму соответствующей калибровочной симметрии. Дело в том, что симметрия слабого взаимодействия гораздо сложнее электромагнитного. Ведь и сам механизм этого взаимодействия оказывается более сложным. Во-первых, при распаде нейтрона, например, в слабом взаимодействии участвуют частицы по крайней мере четырех различных типов (нейтрон, протон, электрон и нейтрино). Во-вторых, действие слабых сил приводит к изменению их природы (превращению одних частиц в другие за счет слабого взаимодействия). Напротив, электромагнитное взаимодействие не изменяет природы участвующих в нем частиц.

Это определяет то обстоятельство, что слабому взаимодействию соответствует более сложная калибровочная симметрия, связанная с изменением природы частиц. Выяснилось, что для поддержания симметрии здесь необходимы три новых силовых поля, в отличие от единственного электромагнитного поля. Было получено и квантовое описание этих трех полей: должны существовать три новых типа частиц — переносчиков взаимодействия, по одному для каждого поля. Все вместе они называются тяжелыми векторными бозонами со спином 1 и являются переносчиками слабого взаимодействия.

Частицы W+ и W- являются переносчиками двух из трех связанных со слабым взаимодействием полей. Третье поле соответствует электрически нейтральной частице-переносчику, получившей название Z - частицы. Существование Z - частицы означает, что слабое взаимодействие может не сопровождаться переносом электрического заряда.

В создании теории электрослабого взаимодействия ключевую роль сыграло понятие спонтанного нарушения симметрии: не всякое решение задачи обязано обладать всеми свойствами его исходного уровня. Так, частицы, совершенно разные при низких энергиях, при высоких энергиях могут оказаться на самом деле одной и той же частицей, но находящейся в разных состояниях. Опираясь на идею спонтанного нарушения симметрии, авторы теории электрослабого взаимодействия Вайнберг и Салам сумели решить великую теоретическую проблему — они совместили казалось бы несовместимые вещи: значительную массу переносчиков слабого взаимодействия, с одной стороны, и идею калибровочной инвариантности, которая предполагает дальнодействующий характер калибровочного поля, а значит нулевую массу покоя частиц-переносчиков, с другой. Таким образом соединили электромагнетизм и слабое взаимодействие в единой теории калибровочного поля.

В этой теории представлено всего четыре поля: электромагнитное поле и три поля, соответствующие слабым взаимодействиям. Кроме того, введено постоянное на всем пространстве скалярное поле (разновидность поля Хиггса), с которым частицы взаимодействуют по разному, что и определяет различие их масс. Кванты скалярного поля представляют собой новые элементарные частицы с нулевым спином. Их называют хиггсовскими (по имени физика П. Хиггса, предположившего их существование). Число таких хиггсовских бозонов может достигать нескольких десятков. На опыте такие бозоны пока не обнаружены. Более того, ряд физиков считает их существование необязательным, но совершенной теоретической модели без хиггсовскмих бозонов пока не найдено. Первоначально W и Z - кванты не имеют массы, но нарушение симметрии приводит к тому, что некоторые частицы Хиггса сливаются с W и Z - частицами, наделяя их массой.

Различия свойств электромагнитного и слабого взаимодействий теория объясняется нарушением симметрии. Если бы симметрия не нарушалась, то оба взаимодействия были бы сравнимы по величине. Нарушение симметрии влечет за собой резкое уменьшение слабого взаимодействия. Можно сказать, что слабое взаимодействие имеет столь малую величину потому, что W и Z - частицы очень массивны. Лептоны редко сближаются на столь малые расстояния (r < 10n см., где n = -16). Но при больших энергиях (> 100 Гэв), когда частицы W и Z могут свободно рождаться, обмен W и Z - бозонами осуществляется столь же легко, как и обмен фотонами (безмассовыми частицами). Разница между фотонами и бозонами стирается.В этих условиях должно существовать полная симметрия между электромагнитным и слабым взаимодействием — электрослабое взаимодействие.

Проверка новой теории заключалась в подтверждении существования гипотетических W и Z - частиц. Их открытие стало возможным только с созданием очень больших ускорителей новейшего типа. Открытие в 1983 году W и Z - частиц означало торжество теории электрослабого взаимодействия. Не было больше нужды говорить о четырех фундаментальных взаимодействиях. Их осталось три.

Квантовая хромодинамика.

Следующий шаг на пути Великого объединения фундаментальных взаимодействий — слияние сильного взаимодействия с электрослабым. Для этого необходимо придать черты калибровочного поля сильному взаимодействию и ввести обобщенное представление об изотопической симметрии. Сильное взаимодействие можно представлять как результат обмена глюонами, которые обеспечивают связь кварков (попарно или тройками) в адроны.

Замысел здесь состоит в следующем. Каждый кварк обладает аналогом электрического заряда, служащим источником глюонного поля. Его назвали цветом (разумеется, это название не имеет никакого отношения к обычному цвету). Если электромагнитное поле порождается зарядом только одного сорта, то для создания более сложного глюонного поля потребовалось три различных цветовых заряда. Каждый кварк "окрашен" в один из трех возможных цветов, которые совершенно произвольно были названы красным, зеленым и синим. И соответственно антикварки бывают антикрасные, антизеленые и антисиние.

На следующем этапе теория сильного взаимодействия развивается по той же схеме, что и теория слабого взаимодействия. Требование локальной калибровочной симметрии (т.е. инвариантности относительно изменений цвета в каждой точке пространства) приводит к необходимости введения компенсирующих силовых полей. Всего требуется восемь новых компенсирующих силовых полей. Частицами-переносчиками этих полей являются глюоны, и, таким образом, из теории следует, что должно быть целых восемь различных типов глюонов, в то время как переносчик электромагнитного взаимодействия — всего лишь один (фотон), а переносчиков слабого взаимодействия — три. Глюоны имеют нулевую массу покоя и спин 1. Глюоны также имеют различные цвета, но не чистые, а смешанные (например, сине-антизеленый). Поэтому, испускание или поглощение глюона сопровождается изменением цвета кварка ("игра цветов"). Так, например, красный кварк, теряя красно-антисиний глюон, превращается в синий кварк, а зеленый кварк, поглощая сине-антизеленый глюон, превращается в синий кварк. В протоне, например, три кварка постоянно обмениваются глюонами, изменяя свой цвет. Однако такие изменения носят не произвольный характер, а подчиняются жесткому правилу: в любой момент времени "суммарный" цвет трех кварков должен представлять собой белый свет, т.е. сумму "красный + зеленый + синий". Это распространяется и на мезоны, состоящие из пары кварк - антикварк. Поскольку антикварк характеризуется антицветом, такая комбинация заведомо бесцветна ("белая"), например красный кварк в комбинации с антикрасным кварком образует бесцветный мезон.

С точки зрения квантовой хромодинамики (квантовой теории цвета) сильное взаимодействие есть не что иное, как стремление поддерживать определенную абстрактную симметрию природы: сохранение белого цвета всех адронов при изменении цвета их составных частей. Квантовая хромодинамика великолепно объясняет правила, которым подчиняются все комбинации кварков, взаимодействие глюонов между собой, сложную структуру адрона, состоящего из "одетых" в облака кварков и др.

Возможно, пока преждевременно оценивать квантовую хромодинамику как окончательную и завершенную теорию сильного взаимодействия, но тем не менее ее достижения многообещающи.

3.4. На пути к... Великому объединению.

С созданием квантовой хромодинамики появилась надежда на создание единой теории всех (или хотя бы трех из четырех) фундаментальных взаимодействий. Модели, единым образом описывающие хотя бы три из четырех фундаментальных взаимодействий, называются моделями Великого объединения. Теоретические схемы, в рамках которых объединяются все известные типы взаимодействий (сильное, слабое, электромагнитное и гравитационное) называются моделями супергравитации.

Опыт успешного объединения слабого и электромагнитного взаимодействий на основе идеи калибровочных полей подсказал возможные пути дальнейшего развития принципа единства физики, объединения фундаментальных физических взаимодействий. Один из них основан на том удивительном факте, что константы взаимодействия электромагнитного, слабого и сильного взаимодействий становятся равными друг другу при одной и той же энергии. Эту энергию называли энергией объединения. При энергии более 10n ГэВ, где n = 14 или на расстояниях r < 10n см, где n = -29, сильные и слабые взаимодействия описываются единой константой, т. е. имеют общую природу. Кварки и лептоны здесь практически не различимы.

В 70-90-е годы было разработано несколько конкурирующих между собой теорий Великого объединения. Все они основаны на одной и той же идее. Если электрослабое и сильное взаимодействия в действительности представляют собой лишь две стороны великого единого взаимодействия, то последнему также должно соответствовать калибровочное поле с некоторой сложной симметрией. Она (симметрия) должна быть достаточно общей, способной охватить все калибровочные симметрии, содержащиеся и в квантовой хромодинамике и в теории электрослабого взаимодействия. Отыскание такой симметрии — главная задача на пути создания единой теории сильного и электрослабого взаимодействия. Существуют разные подходы, порождающие конкурирующих варианты теорий Великого объединения.

Тем не менее все эти гипотетические варианты Великого объединения имеют ряд общих особенностей:

Во-первых, во всех гипотезах кварки и лептоны — носители сильного и электрослабого взаимодействий — включаются в единую теоретическую схему. До сих пор они рассматривались как совершенно различные объекты.

Во-вторых, привлечение абстрактных калибровочных симметрий приводит к открытию новых типов полей, обладающих новыми свойствами, например, способностью превращать кварки в лептоны. В простейшем варианте теории Великого объединения для превращения кварков в лептоны требуется двадцать четыре поля. Двенадцать из квантов этих полей уже известны: фотон, две W - частицы, Z - частица и восемь глюонов. Остальные двенадцать квантов — новые сверхтяжелые промежуточные бозоны, объединенные общим названием Х и У - частицы (с электрическим зарядом 1/3 и 4/3). Эти кванты соответствуют полям, поддерживающим более широкую калибровочную симметрию и перемешивающим кварки с лептонами. Следовательно, кванты этих полей (т.е. Х и У - частицы) могут превращать кварки в лептоны (и наоборот).

На основе теорий Великого объединения предсказаны по крайней мере две важных закономерности, которые могут и должны быть проверены экспериментально: нестабильность протона и существование магнитных монополей. Экспериментальное обнаружение распада протона и магнитных монополей могло бы стать веским доводом в пользу теорий Великого объединения. На проверку этих предсказаний направлены усилия экспериментаторов. Но пока еще твердо установленных экспериментальных данных на этот счет нет. Дело в том, что теории Великого объединения имеют дело с энергией частиц выше 10n ГэВ, где n = 14. Это очень высокая энергия. Трудно сказать, когда удастся получить частицы столь высоких энергий в ускорителях. Этим объясняется, в частности, трудность обнаружения Х и У - бозонов. И потому основной областью применения и проверки теорий Великого объединения является космология. Без этих теорий невозможно описать раннюю стадию эволюции Вселенной, когда температура первичной плазмы достигала 10n К, где n = 27. Именно в таких условиях могли рождаться и аннигилировать сверхтяжелые частицы.

Таким образом, становится ясно, что доказательство теории Великого объединения — основная задача физиков на сегодняшний день, т.к. эта теория не только поможет связать разрозненные фрагменты человеческих знаний в единую картину, но и сделать шаг на пути к познанию возникновения Вселенной.