Космология ранней Вселенной - Долгов А.Д.
ISBN 5-211-00108-7
Скачать (прямая ссылка):
нам на помощь приходит космология (гл. 1 § 8). Дело в том, что
сопутствующие каждой паре кварков нейтрино, в отличие от тяжелых лептонов
и кварков, обильно содержатся в первичной плазме во время нуклеосинтеза
легких элементов (характерное время здесь около 1-М00 с от "качала"),
вносят заметный вклад в общую плотность материи, в силу этого влияют на
темпы расширения и охлаждения Вселенной. С другой стороны, скорость
расширения определяет выход легких элементов в результате первичного
нуклеосинтеза. Поэтому по наблюдаемым сегодня обилиям Не4 и Н2, если
брать центральные значения, мы можем сделать вывод, что &v<4, и,
следовательно, новых кварковых ароматов не существует. Все типы кварков
нам уже известны! *
Этот вывод можно будет в ближайшем будущем проверить в непосредственном
эксперименте, так как время жизни нейтрального промежуточного бозона
слабых взаимодействий Z0, о котором мы будем подробнее говорить ниже,
зависит от числа типов нейтрино. Эта идея высказана в 1968 г. безвременно
погибшим В. Ф. Шварцманом.
§ 5 ЭЛЕКТРОСЛАБЫЕ ВЗАИМОДЕЙСТВИЯ ПРОМЕЖУТОЧНЫЕ БОЗОНЫ
Еще один пример известного в физике векторного поля - это поле W*-, Z°-
6o3ohob (их иногда называют "виокы"). Око
* Более осторожные физики призывают не переоценивать точность данных и
дают менее сильное ограничение k^6.
<62
4. ЭЛЕМЕНТАРНЫЕ ЧАСТИЦЫ
.является переносчиком слабого взаимодействия. Впервые с этим
взаимодействием физики столкнулись при наблюдении .^-радиоактивности
атомных ядер. В ее основе, как мы сейчас знаем, лежит распад нейтрона
n->p + e-+ve.
Заметим, что, хотя свободный нейтрон нестабилен, он может •оказаться
стабильным в составе атомного Ядра, если разность энергий связи нейтрона
и образовавшегося протона превосходит энерговыделение при распаде. Этим
объясняется существование стабильных атомных ядер. Наконец, если ядро
таково, что энергия связи нейтрона в нем велика, а протона мала, возможен
обратный процесс:
p-±n+e++v.
Период полураспада нейтрона составляет около 15 мин, что да много
порядков превосходит естественную размерную оценку времени полураспада по
дефекту массы при распаде:
t~ 1/Атс2 ^10~21 с.
Это показывает, что взаимодействие, которое приводит к распаду нейтрона,
является чрезвычайно слабым, с чем и связано •его название.
Поскольку в этой реакции участвуют четыре фермиона, то •физики стали
говорить о 4-фермионном взаимодействии. Примерно 50 лет назад Ферми
записал выражение для амплитуды такого перехода в виде:
ё>ф* ф" ф* (4.4
здесь фп - волновая функция нейтрона, фр - протона и т. п. ?f - константа
слабого взаимодействия.
Согласно квантовой теории поля выражение (4.4) описыва •ет не только
распад нейтрона, но и процессы
n+e+-f->-p+v,
n+v-*->-p+e_
и тому подобное. Отметим, что при этом сохраняется количе •етво барионов
(т. е. барионный заряд) и количество лептоно1 (т. е. лептонный заряд) и,
конечно, электрический заряд.
Существенной чертой выражения (4.4) является то, что вс четыре величины ф
взяты в одной и той же пространственно временной точке. Такое
взаимодействие называют локальным С другой стороны, похожий
четырехфермионный процесс, обя .занный электромагнитному взаимодействию
е+р->е+р,
5. ЭЛЕКТРОСЛАБЫЕ ВЗАИМОДЕЙСТВИЯ
63-
является нелокальным. Его можно описать диаграммой рис. 7, что означает,
что протон в точке х испускает виртуальный фотон, который поглощается
электроном в точке у, и, следовательно, в амплитуду этого процесса входят
фс(г/) • %¦ (у) фр(х) ¦
• %)-. (х). Локальной амплитуде-
(4.4), очевидно, отвечает диаграмма вида рис. 8.
Успех электродинамики, с одной стороны, и внутренние трудности теории
локального четы-рехфермиопного взаимодействия - с другой, связанные с так
называемой неперенормируемо-стыо, на которой мы остановимся ниже, привели
к идее построения теории слабого взаимодействия по аналогии с
электродинами-в пользу такого подхода явилось сходство тока слабого
взаимодействия с электромагнитным. В обоих случаях амплитуду можно было
записать как произведение векторных токов: где содержит произве-
дение двух фермионных волновых функций. Аналогия усугуб-
Рис. 7. Диаграмма, иллюстрирующая электрон-протонное рассеяние. Волнистая
линия изображает фотон
кой. Важным аргументом
Рис. 8. Диаграмма, иллюстрирующая процесс e~+p->-n+v, который при малых
энергиях можно считать локальным
Рис. 9. Процесс е~+р~+п+у в новой теории слабого взаимодействия;
нуклонный и лептун-ный токи взаимодействуют не локально, а за счет обмена
VP-бозоном
ляется еще и тем, что векторный ток слабого взаимодействия так же, как
электромагнитный, является сохраняющимся. В силу этого возникла
естественная гипотеза, что слабый процесс также идет через промежуточную
векторную частицу согласно диаграмме рис. 9.
Такая частица, IE-бозон, действительно была обнаружена
64
4. ЭЛЕМЕНТАРНЫЕ ЧАСТИЦЫ
на опыте с предсказанной теорией массой около 80 ГэВ. Столь высокая масса
обеспечивает наблюдаемую на опыте приближенную локальность слабого
