Очарование физики - Глэшоу Ш.Л.
ISBN 5-93972-151-6
Скачать (прямая ссылка):
Это звучит рискованно, но здесь нет ничего страшного, пока в любую конечную сферу заключен конечный заряд. Как-никак, в любом эксперименте заряды разделяет некоторое характеристическое расстояние d. Например, в эксперименте атомной физики типичное расстояние d ~ IO-8 см. В подобном эксперименте «зарядом», подходящим для описания электромагнитных взаимодействий, является заряд внутри сферы радиуса d вокруг точечных зарядов.
Этот процесс замены бесконечного голого заряда конечным зарядом, измеренным на данном расстоянии от точечного заряда, называется «перенормированием»; он работает только для определенного класса теорий поля. Мы будем рассматривать только такие «перенормируемые» теории.
Перенормирование никак не влияет на квантование заряда: заряд в сфере радиуса d, окружающей электрон, ничем не отличается от заряда в сфере радиуса d, окружающей мюон (есть некоторые эффекты, вызванные разностью масс /л и е, да и протон несколько более сложен из-за сильных взаимодействий, но не обращайте на это внимания). Это означает, что безразмерный заряд Q по-прежнему принимает целочисленные значения (за исключением кварков), но константа связи а теперь зависит от d\ ее значение составляет 1/137 при атомном расстоянии ~ IO-8 см.
В КЭД а мала, поэтому а от d зависит слабо — на самом деле, этой зависимостью даже можно пренебречь, — но она измерима. (Она вносит свой вклад, к примеру, в лэмбовский сдвиг.) В КХД, где (? гораздо больше, этот эффект очень важен: частица, имеющая цветной заряд, в значительной степени поляризует вакуум. Более того, калибровочные частицы, переносящие цветовое взаимодействие, сами тоже несут цветной заряд; таким образом, облако виртуальных глюонов, окружающее частицу с цветным зарядом, эффективно распространяет заряд этой частицы наружу. Оказывается, что этот эффект подавляет эффект вакуумной поляризации, так что положительный цветной заряд окружает положительно заряженный вакуум (рисунок 2). Вследствие распространения заряда наружу цветной заряд, находящийся внутри сферы радиуса г, уменьшается (очень медленно) до нуля, по мере приближения к нулю г. На коротких расстояниях цветные силы ослабевают! Это 247 Объединенная теория взаимодействий элементарных частиц
свойство хромодинамики называется асимптотической свободой. Его открыли Дэвид Политцер в Гарварде (сейчас он работает в Калифорнийском технологическом институте), а также Дэвид Гросс и Фрэнк Вильчек в Принстоне. Асимптотическая свобода прошла успешную экспериментальную проверку в недавно проведенных экспериментах, в ходе которых «прощупывались» очень малые расстояния.
Слабые взаимодействия
Слабые взаимодействия тоже описываются калибровочной теорией. В этом случае элементарные частицы появляются дублетами, так что инвариантностью является й'[/(2)-симметрия. (Эта та же группа симметрии, что и угловой момент квантовой механики.) Слабые заряды — это три независимые 2x2 бесследные эрмитовы матрицы Ri (пропорциональные матрицам Паули). С тремя этими зарядами связаны три калибровочные частицы W (которые часто называют «промежуточными векторными бозонами»), И опять, поскольку заряды — это матрицы, эмиссия, или поглощение Wi, может изменить частицу. Так, например, электрон может испустить Wi и превратиться в нейтрино.
Частица W3 электрически нейтральна, но частицы W\ и W2 несут электрический заряд. Поля, соответствующие частицам с определенным зарядом, являются комбинациями W± = W\ ±iW2-
Слабые взаимодействия обладают странным свойством дифференцирования между частицами с различной спиральностью (то есть со спинами, направленными по движению или против него).
Спиральность массивной частицы, конечно же, можно изменять, приводя ее в состояние покоя или ускоряя в противоположном направлении без изменения ее спина. Так, массивные частицы имеют как ле-вовинтовые, так и правовинтовые составляющие. Однако нейтрино, очевидно, имеют нулевую массу покоя, поэтому, подобно фотонам, они всегда передвигаются со скоростью света. Поскольку остановить нейтрино невозможно, направление его спинов никогда не меняется. На самом деле, в ходе экспериментов наблюдались только левовинтовые нейтрино и правовинтовые антинейтрино. (Античастица правовинтовой частицы является левовинтовой.) Считается, что их двойников, которые вращались бы в противоположных направлениях, не существует.
Некоторые кварки и лептоны вообще не переносят слабый заряд (они являются «синглетами» при й'[/(2)-симметрии), тогда как эти же частицы с противоположно направленными спинами входят в слабо заряженные дублеты. Синглеты включают
eR eL uR UL dR dL, • • • Hv.
• • ' • •Ллм'ллв'«*»
• • • • • • • • • • ••гіішНА* ••
• • • ^.T^HL'. / •• • • •.....* •
_•_
Рис. 2. Вакуумная поляризация. В КЭД (а) точечный заряд внутри большого пятна окружен облаком виртуальных зарядов противоположного знака. В КХД (Ь) точечный «заряд» внутри большого пятна окружен виртуальными кварками и глюонами преимущественного того же цвета, что и центральный кварк.
а соответствующими им дублетами являются
