Космология ранней Вселенной - Долгов А.Д.
ISBN 5-211-00108-7
Скачать (прямая ссылка):
W± и Z0 мы увидеть не можем, поскольку время жизни этих частиц весьма
мало,
10~24 с, и за это время они проходят путь меньше размеров электрона ~10-
14 см. Однако их существование доказывают характерные реакции распада W и
Z на другие частицы. Измерение энергии продуктов распада позволяет
определить массу W и Z. Зарегистрировано уже более 100 событий рождения
этих бозонов.
§ 6. ТЕОРИИ БОЛЬШОГО ОБЪЕДИНЕНИЯ.
НЕСОХРАНЕНИЕ БАРИОНОВ
Успех в построении единой теории электромагнитных и слабых взаимодействий
стимулировал следующий естественный шаг - поиски единой теории сильного и
электрослабого вза-
6. ТЕОРИЯ БОЛЬШОГО ОБЪЕДИНЕНИЯ
71
имодействий. Оказалось возможным построить модель (и даже не одну, а
несколько), в которой промежуточные бозоны сильных (глюоны) и
электрослабых взаимодействий (g, у, W±, Z°) описывались как разные
проявления единого векторного поля - фундаментального переносчика
взаимодействий. Лептоны и кварки при этом также рассматривались
единообразно как проявление общего фермионного поля. Во всех вариантах
теории, кроме известных 12 векторных бозонов, приходилось вводить
дополнительно столько же или более новых векторных частиц X- и У-бозонов.
Аналогично тому как глюоны меняют цвет кварка, X- и У-бозоны меняют заряд
кварка или лептона и, более того, X- и У-бозоны превращают кварк в
лептон. Другими словами, взаимодействие с этими бозонами не сохраняет
барионный заряд. В частности, за счет диаграммы рис. 13 они должны
приводить к распаду протона.
Теория предсказывает чрезвычайно большую величину массы X- и У-бозонов -
около 1015 ГэВ. И это является причиной
Рис. 13. Диаграмма, иллюстрирующая распад протона. Волнистой линией
обозначен калибровочный бозон модели большого объединения, переводящий
кварки в лептоны
того, что распад протона, несмотря на интенсивные поиски, до сих пор не
обнаружен. В действительности положение сейчас довольно напряженное, так
как экспериментаторы получили ограничение снизу на время жизни протона,
заметно превышающее предсказания первых простых моделей объединения, и
пока единственный "экспериментальный" аргумент в пользу несохранения
барионов дает космология, а именно барионная асимметрия Вселенной.
Появление в теории частиц с массами 1015 ГэВ стимулировало изучение
космологических следствий таких моделей, так как не видно никакого
другого способа (кроме распада протона) узнать что-либо о физике на таких
масштабах.
В настоящее время распад протона не обнаружен на уровне примерно 1032
лет. В ближайшие годы можно рассчитывать на повышение точности примерно
на порядок или, быть может, на два. После этого земные возможности
доказательства несохранения бариозаряда будут исчерпаны. Тем более
интересен тот факт, что инфляционная космология определенно указывает на
несохранение барионов после окончания инфляции (см. § 3 гл. 8).
Заметим, что обсуждаемый здесь механизм несохранения барионов не является
единственно возможным. Другие варианты обсуждаются в гл. 8.
72
4. ЭЛЕМЕНТАРНЫЕ ЧАСТИЦЫ
§ 7. ВЫСШИЕ ПОРЯДКИ ТЕОРИИ ВОЗМУЩЕНИЙ.
ПЕРЕНОРМИРОВКА
Наше изложение, казалось бы, показывает, что все взаимодействия, кроме
гравитационного, определяются векторными полями и о скалярном поле можно
спокойно забыть. Развитие физики за последние десятилетия, однако,
изменило общий подход к теории. Если раньше считалось, что "все, что не
доказано, не существует", то теперь - "все, что не опровергнуто,
разрешено". Уже поэтому давно бы следовало рассмотреть роль (не
обнаруженного на опыте) скалярного поля в космологии. Фактически, однако,
рассмотрение скаляров стало популярно, лишь когда возникли единые теории
взаимодействий частиц (типа теории электрослабого взаимодействия) и
выяснилось, что без скалярных полей эти теории наталкиваются на серьезные
трудности. Чтобы пояснить, о чем идет речь, начнем с электродинамики.
Рассмотрим, например, рассеяние электронов, которое описывается
диаграммой рис. 14, а. Однако кроме
В в г
Рис. 14. Радиационные поправки к упругому ее-рассеянию
процесса, отвечающего этой диаграмме, возможны и другие процессы, как,
например, изображенные на диаграмме б-г, которые также дают вклад в ее
рассеяние. Каждое дополнительное испускание и поглощение фотона приводит
к малому фактору а = е2/Йс= 1/137, и поэтому можно ожидать, что вклад
диаграмм б-г в амплитуду ее рассеяния будет невелик. Однако расчет
показывает, что каждая из диаграмм б-г дает бесконечно большую величину
из-за расходимости возникающих при вычислении интегралов. Слегка
перефразируя известное высказывание Фейнмана, можно сказать, что
"поправки малы, но бесконечны".
Эта трудность при вычислении высших порядков теории возмущений по а
долгое время стояла перед теорией, пока не выяснилось, что ее можно
обойти с помощью так называемой про-
7. ПЕРЕНОРМИРОВКА
73
цедуры перенормировок. Дело в том, что все бесконечности, возникающие в
теории, можно "спрятать" всего в две определяемые из опыта величины -
