Первые три минуты: современный взгляд на происхождение Вселенной - Вайнберг С.
ISBN 5-93972-013-7
Скачать (прямая ссылка):
Конкретно наиболее вероятным считается следующий механизм распада протона, связанный с предположением о существовании очень тяжелых дробнозаряженных скалярных (т. е. со спином нуль) Х-частиц. Их масса в 1014 раз больше массы протона, а заряд равен +4/Зе или —4/Зе, где е — элементарный заряд (заряд протона). Эти частицы могут распадаться по двум каналам каждая:
Х+ —» 2q Х+ q +1;
Х~ 2q Х~ q + I.
Здесь q — кварки; q — антикварки; I — лептоны (заряженные!): I — антилептоны. В первом канале для Х+ фигурируют два кварка с зарядом +2/Зе каждый, во втором канале античастица кварка, имеющего заряд —1/Зе. Следовательно, заряд q во втором канале равен +1/Зе, а заряд 1 равен +е. Таким образом, электрический заряд сохраняется точно. Однако барионный заряд, получающийся в двух каналах, различен. Напомним, что барион состоит из трех кварков и барионный заряд кварка равен 1/3; барионный заряд протона равен 1 по определению.
При высокой температуре (выше пороговой температуры для рождения Х-частиц) частицы X находятся в равнове-
196 Дополнения редактора русского перевода
сии. Однако при расширении и охлаждении распад Х-частиц отстает и на определенной стадии Х+ и Х~ распадаются в неравновесных условиях. При этом из-за асимметрии частиц и античастиц образуется несколько больше кварков по сравнению с количеством антикварков. При дальнейшем охлаждении кварки и антикварки соединяются в барионы, антибари-оны и мезоны, и возникает избыток барионов.
С другой стороны, распад протонов в настоящее время происходит через промежуточное образование частицы X:
P = 3q^q + X^q + q+e+ = TT° + е+.
Первый шаг процесса есть обращение того процесса (X —> 2q), который написан выше. Так как X — очень тяжелая частица, то образоваться она может лишь на краткое мгновение (как говорят физики — «виртуально»), наблюдать можно лишь конечные продукты распада
Р -»• 7Г° + е+.
Вероятность процесса мала именно потому, что велика масса X, образующая энергетический барьер на пути реакции. В ближайшие 20-30 лет прямое наблюдение Х-частицы исключено, однако мы надеемся, что распад протона будет наблюден значительно раньше.
ДОПОЛНЕНИЕ 7. О КОНЦЕНТРАЦИИ И ПЛОТНОСТИ НЕЙТРИНО ВО ВСЕЛЕННОЙ
При высокой температуре, выше Ю10 К, нейтрино находятся в термодинамическом равновесии с электронами, позитронами и фотонами. Равновесная концентрация нейтрино убывает с понижением температуры пропорционально кубу температуры. Этот закон убывания такой же, как и у фотонов, так как нейтрино либо вовсе не имеют массы покоя, как фотоны, либо масса их мала по сравнению с энергией при высокой температуре. Поэтому соотношение между числом нейтрино
Дополнения редактора русского перевода 197
и фотонов в этот период не зависит от силы взаимодействия и, таким образом, неверно, что нейтрино сохраняются вследствие того, что они слабо взаимодействуют и сечение их аннигиляции мало. Если бы нейтрино взаимодействовали сильнее (что в действительности имеет место при температуре выше 101оК), то аннигиляция нейтрино и антинейтрино с превращением их, например, в фотоны происходила бы чаще. Однако одновременно усилился бы и обратный процесс превращения фотонов в пары нейтрино и антинейтрино. Концентрация нейтрино в термодинамическом равновесии, приблизительно равная концентрации фотонов, при этом не изменилась бы. Имея в виду, что позже, после аннигиляции электронов и позитронов, температура нейтрино на самом деле будет даже несколько ниже температуры излучения, усиление взаимодействия привело бы даже к некоторому увеличению концентрации нейтрино за счет уменьшения концентрации фотонов. Сказанное выше относится к нейтрино, относительно которых предполагается, что масса покоя равна нулю, скорость равна скорости света и энергия равна импульсу, умноженному на скорость света. Термодинамические свойства таких безмас-совых нейтрино мало отличаются от свойств фотонов.
Современная теория не исключает возможного существования тяжелых нейтрино с отличной от нуля массой покоя. Надо сказать, что из лабораторных опытов определить массы нейтрино удается с трудом и неточно. До недавнего времени, до 1980 года, известны были лишь верхние пределы массы нейтрино различного типа. Лабораторные опыты по распаду трития давали для массы покоя электронного нейтрино верхний предел тс2 < 60 или 40 эВ, т. е. т < 10~4те яз 10-31 г. Для мюонных нейтрино можно утверждать только, что их масса покоя меньше 2 миллионов электронвольт, т. е. меньше учетверенной массы электрона. Недавно (Перл, 1975 год) открыта заряженная тау-частица, тяжелый аналог электрона и мюона. Масса тау-частицы около 1800 миллионов электрон-вольт, т. е. она почти вдвое тяжелее протона. Естественно полагать, что при распаде этой заряженной частицы образуются соответствующие ей тау-нейтрино. Лабораторные опыты не исключают того, что масса покоя тау-нейтрино отлична от
198 Дополнения редактора русского перевода
