Единая теория поля: Философский анализ современных проблем физики элементарных частиц и космологии. Опыт синергетнческого осмысления - Минасян Л.А.
ISBN 5-4S4-G0179-X
Скачать (прямая ссылка):
Z0, решение проблемы четности в слабых и электромагнитных взаимодействиях прокладывали дорогу для создания единой теории электрослабых взаимодействий, которая объяснила бы особенности слабого взаимодействия в рамках единой теории в терминах локальной калибровочной симметрии. И такая теория была предложена в 1967 году С. Вайнбергом и
A. Саламом, идейные основы теории были заложены Дж. Глэшоу, и описывалась она симметрией SU(2) * U(I). Эксперимент достаточно быстро дал подтверждение существованию нейтральных переносчиков слабого взаимодействия: в 1973 году в ЦЕРНе были зарегистрированы два процесса, свидетельствующих о существовании нейтрального промежуточного
бозона Z0: процесс рассеяния нейтрино и электрона и процесс рассеяния электрона на нуклоне с сохранением индивидуальности взаимодействующих частиц. Ясно, что, обмениваясь заряженными W* -бозонами, частицы претерпевают превращения, сохранение индивидуальности при взаимодействии возможно только путем обмена нейтральным бозоном.
Далее последовало второе подтверждение теории: в 1974 году
B. Рихтером [119] и независимо от него С. Тингом [134] была открыта VjJ -лжей-не и-частицы (Рихтером она была названа У'-частицей, а Тингом — У-частицей), которая интерпретировалась как система, состоящая из с-кварка и с-антикварка (сс'-система). Ранее, в 1971 году Глэшоу Иллио-пулос и Майани [177] показали, что в калибровочные теории для последовательного описания нейтральных токов слабого взаимодействия необходимо введение партнера для странного 5-кварка — четвертого кварка (на тот этап исследования признавалось существование трех кварков). Авторы [177] назвали его с-кварком, очарованным кварком (от англ. слова charm ~ очарование), а Рихтер и Tинг дали экспериментальное подтверждение его существованию. Это в свою очередь, служило косвенным доказательством существования Z0 -бозона, что вселяло уверенность в правильное™ выбранной линии для объединения электромагнитного и слабого взаимодействия.
Созданию единой теории электромагнитного взаимодействия предшествовало одно немаловажное обстоятельство. В шестидесятых годах была доказана перенормируемость нолей Янга—Миллса (5?/(2)-симмет-рии). Как отмечает С. Ваинберг: «Я думал, что перенормируемость может оказаться ключевым критерием, который и при более общем подходе потребует некоей простоты от наших теорий и поможет нам выбрать одну
На пути построения единой теории поля
59
истинно физическую теорию среди бесконечного множества разумных квантовых теорий поля» [20. С. 41]. Привлечение калибровочного принципа, помноженного на идею перенормируемосги теории, явилось хорошей стратегической линией при построении единой электрослабой теории. Именно требование перенормируемости теории привело к использованию идеи спонтанно нарушенной симметрии.
Дело в том, что калибровочные поля являются дальнедействуюшими, слабое же взаимодействие проявляется на очень маленьких расстояниях, а
это означает, что переносчики слабого взаимодействия W±, Z0-бозоны должны иметь огрошгую массу. Проблема с существованием нейтрального
Z0-бозона также связывалась с предположением о массивности его, ибо, если бы существовал нейтратьный бозон с нулевой массой, подобно фотону, он был бы давно обнаружен. Единственная возможность избежать противоречия — это принять для описания электрослабого взаимодействия существование бозонов, обладающих массой. На период формулирования
теории необходимые энергии в ускорителях для наблюдения W -частиц в эксперименте еше не были достигнуты (это случилось только в 1983 году) и
существовали лишь косвенные доказательства существования W -бозонов, о которых мы упоминали выше. Сама же симметрия SU(2) х U(I) имеет одну серьезную проблему: все фермионы и калибровочные бозоны, входящие в теорию, имеют в ней ir/левые массы. Это относится к стандартной модели квантовой теории поля в целом. В лагранжиан взаимодействий невозможно включить члены с массами частиц, ибо эти члены оказываются неинвари-антными относительно калибровочных преобразований. Единственный способ сохранения инвариантности полною лагранжиана состоит в том, чтобы положить массы всех частиц кварков, лаптопов и бозонов равными нулю, что явно противоречит экснеримоггу. Кроме этого, введение масс частиц приводит к появлению бесконечностей и неперенормируемости теории.
Выход из затруднительного положения был найден Хиггсом, Кибб-лом и др. [184], разработавшими механизм, посредством которого элементарные частицы приобретают массу вследствие взаимодействия их с неинвариантным вакуумом, о чем будет сказано в третьем параграфе данной главы.
Таким образом, во второй половине XX века вырисовывается достаточно строгая классификация элементарных частиц. Однако прежде чем представить ее читателю, мы позволим себе перевернуть страницы истории немного назад.
К начату XX века физика изучает материю в двух ее проявлениях — веществе н ноле. Обе эти модификации рассматриваются как равноправные, обе обладают такими характеристиками как энергия, масса, импульс. Частицам вещества приписываются такие свойства как дискретность, ко-
