Очарование физики - Глэшоу Ш.Л.
ISBN 5-93972-151-6
Скачать (прямая ссылка):
26. Glashow, S. L., Iliopoulos, J., and Maiani, L., Phys. Rev. D 2, 1285 (1970).
27. Georgi, H., and Glashow, S. L., Phys. Rev. Lett. 33. 438 (1974). Объединенная теория взаимодействий
элементарных частиц (с Говардом Джорджи)
Понятие о том, что же такое «элементарные» или не имеющие структуры составляющие материи, непрерывно изменяется по мере того, как нам удается «прощупать» все меньшие и меньшие расстояния со все большими и большими энергиями. Пока мы были ограничены энергией, доступной в химических процессах, элементарными частицами считались атомы; затем ими стали протоны, нейтроны и электроны, а в настоящее время мы можем разбить материю на кусочки, достаточно мелкие, чтобы элементарными составляющими материи казались кварки и лептоны.
Кварки — это составляющие адронов, частицы (наподобие протонов или пионов), испытывающие сильное взаимодействие. Мы располагаем свидетельствами существования, по крайней мере, пяти типов («ароматов») кварков; обычно их именуют и (up), d (down), s (strange), с (charm) и b (bottom или beauty). Кроме того, каждый тип кварка имеет три разновидности («цвета»), обычно называемые «красным», «белым» (или иногда «зеленым») и «синим». Сильное взаимодействие, связывающее кварки в адроны, — это (как мы считаем) взаимодействие, в котором три цвета играют роль, аналогичную той, какую заряд играет в электродинамике. В настоящее время принятой теорией этих взаимодействий является квантовая хромодинамика, или сокращенно КХД.
В настоящее время мы также располагаем свидетельством существования шести видов лептонов — это: электрон, мюон и тау, а также нейтрино, связанные с каждым из них. Лептоны не имеют цвета и почти полностью не подвержены хромодинамическим взаимодействиям.
За исключением трех нейтрино, кварки и лептоны переносят электрические заряды, вследствие чего подвержены электромагнитному взаимодействию. Все частицы, включая нейтрино, взаимодействуют слабо. Частицы, подверженные электромагнитному взаимодействию, не изменяются: за исключением возможных пар частица-античастица, частицы, которые появляются после взаимодействия, имеют те же свойства 240
Объединенная теория взаимодействий элементарных частиц
(заряд, странность и прочие), что и частицы, вступившие во взаимодействие. Слабые взаимодействия, напротив, могут изменить частицы. Классическим примером является бета-распад, при котором нейтрон распадается на протон, электрон и антинейтрино (z7e); это происходит, когда один из d-кварков в нейтроне распадается на и-кварк (который остается связанным с другим d и и-кварками, существовавшими в нейтроне), на электрон и на антинейтрино.
Объединение
Квантовая электродинамика, квантовая хромодинамика и принятая в настоящее время теория слабых взаимодействий достаточно адекватно описывают взаимодействия между элементарными частицами вплоть до расстояния в IO15 см (около одного процента радиуса протона); это самое маленькое расстояние, которое способны «прощупать» современные ускорители. Что происходит на еще более малых расстояниях нам не известно. Но мы подозреваем, что на расстояниях порядка IO-29 см все три взаимодействия — наряду с другими, пока ненаблюдаемыми, — будут объединяться, то есть все взаимодействия будут иметь одну и ту же силу, а различия между кварками, антикварками и лептонами исчезнут.
Несмотря на то, что это предполагаемое объединение происходит на нелепо малых расстояниях (или при очень высоких энергиях), оно имеет важные следствия для «низкоэнергетического» мира современной физики. Одним из таких следствий является предсказание угла, присутствующего в теории слабых взаимодействий и называемого Ow, — слабого угла смешивания. Объединенные теории предсказывают, что sin2 Ow — 0,20. Когда это предсказание было сделано впервые, наилучшим экспериментальным значением было sin2 Ow — 0,35. Но по мере совершенствования экспериментов это значение неуклонно уменьшалось; сейчас экспериментальное значение составляет sin2 Ow — 0,23±0,02, что почти полностью согласуется с объединенной теорией.
Однако самому впечатляющему следствию объединения еще предстоит окончательная проверка. Это следствие касается того, что сам протон (а потому и вся материя) нестабилен: примерно через IO31 лет протон может распасться на позитрон и тг°. Позитрон, в конечном счете, аннигилирует электрон, создавая гамма-лучи, на которые быстро распадется и 7г°. Суммарным результатом будет превращение атома водорода в энергию. Хотя вероятность того, что какой-то протон распадется в какой-то год, ничтожно мала, макроскопический кусок материи содержит очень большое количество протонов. В настоящее время готовятся эксперименты, которые помогут изучить очень большие образцы материи, чтобы проверить это предсказание. 241 Объединенная теория взаимодействий элементарных частиц
Прежде чем объяснять объединение, мы кратко расскажем о его составляющих: квантовой хромодинамике, квантовой электродинамике и слабых взаимодействиях, — на языке, особенно подходящем для объединения, — на языке калибровочных теорий. В наших примерах мы будем использовать, главным образом, и- и d-кварки и е- и ^-лептоны. Именно они образуют все обычные материалы; более тяжелые кварки и лептоны интересны почти исключительно специалистам по физике частиц.
