Экспериментальная ядерная физика - Мухин К.Н.
ISBN 5-283-04076-3
Скачать (прямая ссылка):
Из обоих приведенных примеров видно, что существование локальной симметрии тесно связано с наличием некоторых дополнительных полей—гравитационного в первом случае и электромагнитного во втором. На это обстоятельство в 1954 г. обратили внимание Янг и Миллс, которые показали, что локальная инвариантность теории должна всегда приводить к появлению некоторых дополнительных компенсирующих полей с новыми квантами—калибровочными бозонами. При этом подобно квантовой электродинамике калибровочные теории перенормируемы. В связи с этим появилась надежда на построение перенормируемых теорий слабого и сильного взаимодействий.
Взяв за основу локальную изотопическую инвариантность, Янг и Миллс действительно построили калибровочную теорию с тремя компенсирующими полями и тремя калибровочными бозонами. Однако дальнейшее развитие этой идеи показало, что калибровочные бозоны имеют нулевую массу, т. е. не могут быть квантами сильного взаимодействия, требующего тяжелых квантов. Как уже говорилось, решение проблемы сильного взаимодействия было найдено только в 1973 г. в рамках квантовой хромодинамики благодаря привлечению идеи о невылетании.
Иначе развивалась теория слабых взаимодействий. Вначале возникла сходная ситуация. Глэшоу, опираясь на идеи Янга и Миллса, построил перенормируемый вариант теории слабого взаимодействия. В основу теории была положена группа симметрии слабого изотопического спина, в которую входят дублеты лептонов и кварков [см. схемы (129.8) и (129.9)]. Члены этих дублетов характеризуются значениями третьей проекции слабого изотопического спина Тъ, которая равна + 1/2 для частиц верхней строки и —1/2 для частиц нижней строки. Из условия инвариантности были найдены компенсирующие поля.
Но и в этом случае в качестве квантов компенсирующих полей получились безмассовые калибровочные бозоны, не пригодные на роль квантов слабого взаимодействия.
* Инвариантность уравнений квантовой механики относительно глобального фазового преобразования, т. е. умножения волновой функции на exp[ia], где a = const, тривиальна.
364 Глава ХХШ. Дополнительные вопросы физики слабых взаимодействий
3. СПОНТАННОЕ НАРУШЕНИЕ КАЛИБРОВОЧНОЙ СИММЕТРИИ. ТЕОРИЯ ВАЙНБЕРГА—САЛАМА
Решение вопроса о массе бозонов было найдено в 1967 г. А. Саламом и С. Вайнбергом, которые привлекли идею о спонтанном нарушении калибровочной симметрии. В теории Вайн-берга и Салама вводится новое, так называемое хиггсовское поле с бесспиновыми (но имеющими массу) хиггсовскими бозонами, которое и обусловливает нарушение симметрии. Калибровочные бозоны в результате взаимодействия с хигг-совским полем приобретают массу. При этом теория остается перенормируемой. В теории возникают три калибровочных бозона W , W и W0, из которых два (W+ и W~) описывают слабые заряженные токи. Третий бозон (W0) самостоятельной роли не играет. Его рассматривают совместно с четвертым калибровочным бозоном В0, который появляется после наложения на теорию требования локальной фазовой инвариантности (характерной для электромагнитной теории). Из двух нейтральных калибровочных бозонов W0 и В0 можно составить две комбинации, одна из которых представляет собой фотон
y = B°cosdw+W°smdw, (130.1)
а вторая—нейтральный бозон, ответственный за слабые нейтральные токи,
Z°=W°cosQw-B°smQw. (130.2)
Здесь dw—угол Вайнберга, который определяется из сопоставления теории с экспериментом.
Таким образом, Вайнбергу и Саламу удалось создать единую перенормируемую теорию слабых и электромагнитных взаимодействий с четырьмя бозонами у, Z°, W+ и W~, ответственными соответственно за электромагнитное взаимодействие, слабые нейтральные токи и слабые заряженные токи*.
Теория Вайнберга—Салама предсказала существование четвертого с-кварка и нейтральных токов и предсказывает массы W±- и Z0-6o3ohob:
(130.3)
* За создание единой теории слабых и электромагнитных взаимодействий С. Вайнберг, Ш. Глэшоу и А. Салам были удостоены в 1979 г. Нобелевской премии по физике. О содержании теории см.: Вайнберг С. // Успехи физ. наук. 1980. Т. 132. Вып. 2. С. 201—217. Джорджи Х.//Успехи физ. наук. 1982. Т. 136. Вып. 2. С. 287—316.
§ 130. Понятие о единой теории слабых и электромагнитных взаимодействий 365
(130.4)
mz« =
cos 9,
где а = е21(Ьс); G=W~slm2p.
В 70-е годы был открыт с-кварк (см. § 125) и было обнаружено много различных эффектов, обусловленных нейтральными слабыми токами: v^p-, v^e- и уее-рассеяние, несохранение четности в атомных переходах, ер-рассеянии и др. (см. § 129). Анализ этих экспериментов приводит к близким значениям угла Вайнберга
Частицы со столь большими массами не могли быть открыты ни на одном ускорителе из числа действующих в 70-е годы. Вместе с тем физики были настолько твердо уверены в существовании этих частиц, что в конце 70-х годов было принято решение о строительстве новых ускорителей, в программе будущей работы которых первым пунктом стоял поиск W±- и Z -бозонов. В связи с этим их обнаружение с 1982—1983 гг. часто называют запланированным открытием.
