Очарование физики - Глэшоу Ш.Л.
ISBN 5-93972-151-6
Скачать (прямая ссылка):
На рисунке 5 приведено качественное отражение того, что на расстояниях, намного превышающих L, связи имеют правильный вид, когда «з больше, чем (?, которая больше, чем Но мы можем добиться еще лучшего. На расстояниях меньше IO-16 см все связи достаточно малы, так что вполне можно вычислить их зависимость от расстояния, на котором они измеряются. Тогда, если известны две связи на расстоянии в 10~16 см, то их можно проследить до все более коротких расстояний, пока они не встретятся, что произойдет на расстоянии порядка L. Более 259 Объединенная теория взаимодействий элементарных частиц
Рис. 5. Силы связи изменяются в зависимости от расстояния. На расстояниях, не превышающих «расстояние объединения;» L, все три константы одинаковы (равны групповому теоретическому множителю 5/3 для qi). Сильная связь, q3, становится большой на расстояниях, превышающих IO-14 см, указывая на нарушение теории возмущений КХД вследствие конфайнмента кварков. На расстояниях, превышающих IO-16 см, спонтанное нарушение SU(2) х (7(1)-симметрии сводит Q2 и Qi в одну электромагнитную связь а.
того, тогда можно предсказать значения расстояний, больших, чем L. Например, можно воспользоваться константой а (комбинацией а-2 и а\, имеющей место при электромагнитных взаимодействиях), значение которой очень хорошо известно из экспериментов, и о?з (константа глюонной связи), которая была измерена, но с довольно большой погрешностью, после чего можно оценить L и Ow- В результате получается, что L равна около 10~29 см, a sin2 Qw — около 0,20.
Это предсказание было сделано в 1974 году в Гарварде Джорджи, Хелен Квинн (которая теперь работает в SLAC) и Вайнбергом для большого класса объединенных теорий, включая SU(5). В то время оно не предвещало ничего хорошего для объединения, потому что экспериментальное значение sin2 Ow составляло около 0,35.
Однако тогда мы не слишком беспокоились из-за расхождения предсказанного и наблюдаемого значений, потому что мы не были уверены, что SU(S) и SU(2) X U(I) — это действительно правильные описания физики в масштабе IO-16 см, поэтому мы подумали, что, быть может, нужно обобщить SU(5), чтобы она включила в себя новую физику. Однако за годы, прошедшие от 1974 до настоящего времени, SU(S)-и SU(2) x [/(І)-теории прошли несколько важных экспериментальных 260 Объединенная теория взаимодействий элементарных частиц
проверок, так что сегодня мы в гораздо большей степени уверены в обосновании 5[/(5)-теории. И, к счастью для теории, экспериментальное значение sin2 Ow снизилось и сегодня составляет 0,23 ± 0,02, что почти полностью соответствует предсказанию объединения.
Распад протона
Х-частицы в S1JJ(S)-OebeflHHeHHOfl теории очень тяжелы, потому что они связаны со спонтанным нарушением симметрии на очень коротком расстоянии. Их масса составляет порядка fic/L, другими словами, она в IO15 раз больше массы протона. Мы никогда не сможем создать их на ускорителях, но, возможно, нам удастся наблюдать эффект их виртуального обмена. Взаимодействия, переносимые Х-обменом, очень слабы, поскольку имеют очень короткий радиус действия. Но, подобно обычным слабым взаимодействиям, эти очень слабые взаимодействия вызывают процессы, которые вообще не могли бы произойти в их отсутствие.
Самыми интересными из них являются взаимодействия, изменяющие барионное число. Барионное число определяется как разность одной третьей числа кварков и одной третьей числа антикварков. Барионное число протона равно единице, а барионное число мезона или лептона — нулю.
SU (3)- и SU(2) ж [/(1)-калибровочные взаимодействия не изменяют барионное число: они сохраняют его, потому что их калибровочные частицы не вызывают перехода между кварком и лептоном или кварком и антикварком. Если бы барионное число сохранялось точно, то протон был бы абсолютно стабильным, поскольку он является легчайшей частицей с барионным числом, равным единице. Поскольку распадов протона не наблюдалось (хотя некоторые экспериментаторы пытались их найти), было достаточно разумно предположить, что барионное число сохраняется абсолютно, что и сделали большинство физиков.
Однако процессы, вызванные Х-частицами в Sf/(5)-TeopHH и изменяющие барионное число, могут привести к распадам протона. Одна из Х-частиц, например, соединяется с «метацветами» а и d. drR-кварк может испустить такую Х-частицу и превратиться в е+; а игь-кварк может поглотить ту же Х-частицу и превратиться в йъь. Таким образом, обмен Х-частицей может превратить пару кварков, d и и, в лептон и антикварк, е+ и й. При этом барионное число системы изменяется на единицу: от 2/3 до -1/3.
Рисунок 6 изображает, что происходит, если этот процесс протекает внутри протона: он распадается на позитрон и нейтральный пион. Такой распад чрезвычайно редок. Х-частица имеет большую массу, поэтому, 261 Объединенная теория взаимодействий элементарных частиц
чтобы произошел обмен, два кварка должны подойти очень близко друг к другу.
Квинн, Вайнберг и Джорджи использовали расчет L, чтобы оценить частоту протонного распада. С тех пор эту оценку уточняли многие ученые, включая Андржея Бура, Джона Эллиса, Мэри Гайар и Деметреса Нанопулоса из CERN, Терри Голдмана и Дугласа Росса из Калифорнийского технологического института и Уильяма Марсиано из Рокфеллеровского института. В настоящее время считается, что частота протонного распада составляет примерно один распад протона в каждые IO31 лет.
