Вопросы для самоконтроля

1. В каких годах, Эйнштейн предпринял попытку объединить электромагнитное взаимодействие с гравитационным взаимодействием?

2. Какие типы взаимодействия не были известны, во времена Эйнштейна?

3. К какому типу взаимодействия относится квантовая электродинамика?

4. Какие типы взаимодействия существуют в природе, чтобы поддержать некий набор симметрии?

5. В каком году, Вайнбергу, Глешоу и Саламу удалось объединить электромагнитное и слабое взаимодействие, и создать теорию электрослабого взаимодействия?

6. Существование, каких частиц предсказала теория электрослабого взаимодействия?

7. Как называются частицы переносчики квантов электрослабого поля?

8. Как обозначили частицы – векторные промежуточные бозоны?

9. Чему равна масса частиц – переносчиков квантов электрослабого поля?

10. В каких условиях происходит спонтанное нарушение симметрии?

11. Что можно продемонстрировать, используя шарик и мексиканскую шляпу «сомбреро»?

12. В каком году, экспериментально были обнаружены векторные промежуточные бозоны?

8.8. Теория «Великое объединение»

После блестящего подтверждения на опыте теории электрослабого взаимодействия, физики заинтересовались возможностью дальнейшего объединения фундаментальных типов взаимодействий. Намечалось объединить с электрослабым сильное взаимодействие. Для этого было необходимо сначала сильному взаимодействию придать черты калибровочного поля. Суть идеи состоит в следующем. Каждый кварк служит источником глюонного поля. Известно, что электромагнитное поле порождается зарядом только одного сорта, а для создания более сложного глюонного поля потребовалось три различных цветовых заряда (е/3, «-»е/3 и 2е/3) с условными названиями, соответственно: красным, зеленым и синим. Красный кварк может превращаться в зеленый или в синий кварк и наоборот.

Создание теории «Великое объединение» взаимодействия рассматривается по тому же сценарию, что и теория электрослабого взаимодействия. Для создания локальной калибровочной симметрии, в каждой точке пространства необходимо введение компенсирующих силовых полей. Расчеты показывают, что требуется восемь новых компенсирующих силовых полей. Частицами – переносчиками этих полей, являются глюоны восьми типов. Кварк, испуская глюон, меняет свой цвет. Например, красный кварк, испустив, красный глюон, изменит свой цвет на синий цвет.

Кварки участвуют как в сильном, так и в слабом взаимодействии. Глюоны изменяют цвет кварка, а слабое взаимодействие изменяет его аромат. Например, d-кварк испуская W^- - частицу превращается в u-кварк. В протоне три кварка постоянно обмениваются глюонами, изменяя свой цвет. Цвет кварков меняется с соблюдением следующего правила. В любой момент времени «суммарный» цвет трех кварков должен представлять собой сумму «красный+зеленый+синий». Эту сумму назвали условно «белым цветом», кроме того, сумма цветов кварка и антикварка также «белая». Лептоны лишены цвета, поскольку не взаимодействуют с глюонным полем.

Квантовая теория цвета, или квантовая хромодинамика (КХД) великолепно объясняет правило комбинации кварков. С точки зрения КХД, сильное взаимодействие есть не что иное, как стремление поддерживать симметрию природы. В данном случае - это сохранение белого цвета всех адронов.

Первоначально казалось, что провести экспериментальную проверку существования кварков в адронах нетрудно, т.к. изолированный кварк имеет дробный заряд, и измерить его не составляет трудности. Хотя с тех пор прошло много времени, более 40 лет, однако ученым до сих пор не удалось, при помощи мощных ускорителей «расщепить» адрон, доказать правильность теории кварков. Опыты, проведенные с энергией, многократно превосходящей массы покоя, показали, что протон все равно никак не расщепляется. Казалось бы, кварки внутри адрона связаны столь крепко, что никакие силы в мире не в состоянии разорвать эти связи и освободить кварков. Почему же тогда могут существовать изолированные лептоны, а изолированные кварки - не могут? Дело в том, что лептоны бесцветны, а кварки цветные.

Все известные взаимодействия ослабевают с увеличением расстояния, тогда как в случае сил, действующих между кварками, наблюдается обратная картина. Они ведут себя как кусок резины. Появляется ощущение, что кварки внутри адронов скованы цепями. В настоящее время идея удержания кварков получила всеобщее признание. Удалось понять, каким образом взаимодействие между кварками усиливается с ростом расстояния. Считают, что глюоны, не только соединяют кварки, но и стремятся соединиться друг с другом. Английское слово «gluon» означает клей. На самом деле гюоны оказались не клеем, а суперклеем.

Таким образом, с появлением КХД, все фундаментальные взаимодействия, наконец, приобрели, единое описание на основе калибровочных полей. В 1973 г., Глешоу опубликовал теорию, в которой электрослабое взаимодействие сливалось с сильным взаимодействием. Это была первая теория «Великого объединения» (ТВО). Ныне существует несколько ТВО. Все они основаны на одной и той же идее – суперсимметрии. Отыскание суперсимметрии – это задача математиков. Единой симметрии, которая обладала бы всеми нужными свойствами, не существует, отсюда и обилие конкурирующих теорий. Однако у них есть общая черта: все ТВО считают, что кварки являются носителями сильного взаимодействия, а лептоны – электрослабого взаимодействия. Объединение кварков и лептонов в единую теорию было совершено новой идеей – это важный шаг на пути к ТВО.

Суперсимметрия позволяет превращать кварки в лептоны и даже в антикварки, т.е. осуществляет переходы, абсолютно запрещенные в прежних теориях. Как и прежде, с помощью компенсирующих полей, соблюдается калибровочная симметрия. Компенсирующие поля приводят к открытию новых типов полей, обладающих способностью превращать кварки в лептоны. В простейшем варианте для осуществления ТВО, предложенной Глешоу и связывающей красные, зеленные и синие d-кварки с позитронами и нейтрино воедино требуется двадцать четыре поля. Двенадцать квантов этих полей уже известны: фотон, три частицы промежуточных бозонов (отрицательная, положительная и нейтральная) и восемь гюонов. Остальные двенадцать частиц назвали Х-частицами, их электрический заряд равен е/3 и 4е/3.

Согласно ТВО, протон состоит из двух u-кварков и одного d-кварка. Один из u-кварков испускает Х-частицу и превращается в анти-u-кварк. Из u-кварка и анти-u-кварка образуется мезон (точнее пион). Позитрон не участвует в сильном взаимодействии и вылетает из протона. Таким образом, происходит распад протона на позитрон и пион: р=π⁰+ е⁺. Отсюда следует, что самая стабильная частица - протон также распадается и следовательно, в этом мире нет нечего вечного: все рождается, функционирует и гибнет. Даже черные дыры неустойчивы и, в конце концов, взрываются, создавая потоки радиации (Стивен Хокинг - США). Приблизительные расчеты показывают, что время жизни протона около 10³¹ лет, а масса Х-частицы примерно равна 10¹⁴ масс протона. Расстояние, которое проходят Х-частицы равно примерно 10^-29 см. Масштаб пространства, где господствует ТВО и происходит распад протона, в триллионы раз мельче мира кварков и глюонов. ТВО напоминает Вселенную внутри протона. Согласно ТВО все три типа фундаментальных взаимодействий могут быть сравнимы по величине на расстоянии примерно 10^-29 см. В этом малом расстоянии электромагнитное, слабое и сильное взаимодействия сливаются в одно взаимодействие, и различие между кварками и лептонами исчезает. Физики называют величину, равную 10¹⁴ массой протона, масштабом объединения. Для прямого наблюдения, такого масштаба пришлось бы построить ускоритель, превосходящий по своим размерам Солнечную систему, ускоряющий до энергии 10¹⁴ МДж.. Это очень огромная энергия, она позволяет расщипать протона.