Теории элементарных частиц
Квантовая электродинамика. В середине XX в. была создана теория электромагнитного взаимодействия — квантовая электродинамика (КЭД). Это продуманная до мельчайших деталей и оснащенная совершенным математическим аппаратом теория взаимодействия электромагнитного поля и заряженных частиц, а также заряженных частиц (прежде всего, электронов или позитронов) между собой. Эта теория удовлетворяет основным принципам как квантовой теории, так и теории относительности.
В КЭД для описания электромагнитного взаимодействия использовано понятие виртуального фотона, который «видят» только заряженные частицы, претерпевающие рассеяние. Если в классическом описании электроны представляются в виде твердого точечного шарика, то в КЭД окружающее электрон электромагнитное поле рассматривается как облако виртуальных фотонов, которое неотступно следует за электроном, окружая его квантами энергии.
Рассмотрим, например, акт испускания (виртуального) фотона электроном. После того как электрон испускает фотон, тот порождает (виртуальную) электрон-позитронную пару, которая может аннигилировать с образованием нового фотона. Последний может поглотиться исходным электроном, но может породить новую пару и т.д. Таким образом, электрон покрывается облаком виртуальных фотонов, электронов и позитронов, находящихся в состоянии динамического равновесия.
В КЭД взаимодействие электромагнитного поля и заряженной частицы предстает в виде испускания и поглощения частицей виртуальных фотонов. А взаимодействие между заряженными частицами толкуется как результат их обмена фотонами: каждая заряженная частица испускает фотоны, которые затем поглощаются другой заряженной частицей. Во-первых, это эффект рассеяния света на свете, т.е. взаимодействия фотонов между собой. С точки зрения КЭД такое рассеяние возможно благодаря взаимодействию фотонов с флуктуациями электронно-позитронного вакуума. И, во-вторых, КЭД предсказала рождение в сильных электромагнитных и гравитационных полях пар частица—античастица, среди которых может быть нуклон—антинуклон.
КЭД проверена на большом количестве очень тонких опытов. Теоретические предсказания и экспериментальные результаты проверок совпадают с высочайшей точностью — иногда до девяти знаков после запятой. За создание КЭД С. Томонага, Р. Фейнман и Дж. Швингер были удостоены Нобелевской премии за 1965 г. Большой вклад в становление КЭД был внесен и нашим выдающимся физиком-теоретиком Л.Д. Ландау.
Теория кварков. Теория кварков — это теория строения адронов. Основная идея этой теории очень проста: все адроны построены из более мелких частиц — кварков. Кварки несут дробный электрический заряд, который составляет либо —1/3, либо +2/3 заряда электрона. Комбинация из двух и трех кварков может иметь суммарный заряд, равный нулю или единице. Все кварки имеют спин 1/2, следовательно, относятся к фермионам. Основоположники теории кварков Гелл-Манн и Цвейг, чтобы учесть все известные в 1960-е гг. адроны, ввели три сорта (аромата) кварков: и (от up — верхний), d (от down — нижний) и s (от strange — странный).
Кроме того, каждый кварк обладает аналогом электрического заряда, служащим источником глюонного поля. Его назвали цветом. Если электромагнитное поле порождается зарядом только одного сорта, то более сложное глюонное поле создается тремя различными цветовыми зарядами. Каждый кварк «окрашен» в один из трех возможных цветов, которые (совершенно произвольно) назвали красным, зеленым и синим. И соответственно, антикварки бывают антикрасные, антизеленые и антисиние.
Кварки могут соединяться друг с другом одним из двух возможных способов: либо тройками, либо парами кварк — антикварк. Из трех кварков состоят сравнительно тяжелые частицы — барионы; наиболее известные барионы — нейтрон и протон. Например, протон состоит из двух u- и одного d-кварка (uud), а нейтрон — из двух d-кварков и одного u-кварка (udd). Более легкие пары кварк — антикварк образуют частицы, получившие название мезоны. Например, положительный пи-мезон состоит из u-кварка и d¯ -кварка, а отрицательный пи-мезон состоит из u¯- кварка и d-кварка. Чтобы это «трио» кварков не распадалось, необходима удерживающая их сила, некий «клей». А «цветовые заряды» кварков в совокупности компенсируются так, что в результате адроны оказываются «белыми» (или бесцветными).
Оказалось, что взаимодействие между нейтронами и протонами в ядре представляет собой остаточный эффект более мощного взаимодействия между самими кварками. Это объяснило, почему сильное взаимодействие кажется столь сложным и почему кварки в свободном состоянии не были обнаружены. Когда протон «прилипает» к нейтрону или другому протону, во взаимодействии участвуют шесть кварков, каждый из которых взаимодействует со всеми остальными. Значительная часть энергии тратится на прочное «склеивание» трио кварков, а небольшая — на скрепление двух трио кварков друг с другом.
То обстоятельство, что из различных комбинаций трех основных частиц можно получить все известные адроны, стало триумфом теории кварков. Но в 1970-е гг. были открыты новые адроны (пси-частицы, ипсилон-мезон и др.). Это нанесло чувствительный удар по первому варианту теории кварков, поскольку в нем не оказалось места ни для одной новой частицы. Все возможные комбинации из кварков и их антикварков были уже исчерпаны. Проблему удалось решить за счет введения трех новых ароматов. Они получили названия charm (очарование), или с; b (от beauty — красота или прелесть) и t (от top — верхний).
Итак, кварки скрепляются между собой в результате сильного взаимодействия. Переносчики последнего — глюоны (цветовые заряды). Область физики элементарных частиц, изучающая взаимодействие кварков и глюонов, носит название квантовой хромодинамики. Как квантовая электродинамика — теория электромагнитного взаимодействия, так квантовая хромодинамика — теория сильного взаимодействия.
Таким образом, на конец XX в. наиболее вероятное число истинно элементарных частиц (не считая переносчиков фундаментальных взаимодействий) равно 48: лептонов (6 • 2) = 12 плюс кварков (б • 3) • 2 = 36. Эти 48 частиц — подлинные «кирпичики» вещества, основа материальной организации мира.
Теория электрослабого взаимодействия. В 1960-е гг. в естествознании произошло выдающееся событие: два фундаментальных взаимодействия из четырех физики объединили в одно. Электромагнитное и слабое взаимодействия, казалось бы, весьма разные по своей природе, предстали как разновидности единого электрослабого взаимодействия.
Теория электрослабого взаимодействия в окончательной форме была создана двумя независимо работавшими физиками — С. Вайн-бергом и А. Саламом. Главная идея этой теории состояла в описании слабого взаимодействия на языке концепции калибровочного поля, ключом к которой является понятие симметрии. Принято считать, что предмет симметричен, если он остается неизменным после той или иной операции по его преобразованию. Иначе говоря, в самом общем смысле симметрия означает инвариантность структуры объекта относительно его преобразований. По отношению к физике это означает, что симметрия — это инвариантность физической системы (законов, ее характеризующих, и соответствующих величин) относительно некоторых определенных преобразований. (Например, законы электричества симметричны относительно замены положительных зарядов отрицательными, и наоборот; а закрытые механические системы симметричны относительно времени и т.д.)
Математическим средством анализа симметрических преобразований является теория групп. Так, для решения конкретных задач применяется следующий подход. Прежде всего, уравнением задается некоторое векторное пространство. Затем исследуется группа инвариантных преобразований такого уравнения. Каждому элементу группы может быть соотнесено некоторое преобразование в векторном пространстве решений этого уравнения. Знание соотношений между элементами группы и такого рода преобразованиями позволяет во многих случаях находить решения уравнения. А значит и определять существование реальных симметрических свойств того объекта, с которым может быть соотнесено данное пространство.
В становлении релятивистской квантовой теории большую роль играло изучение симметрий уравнений теории поля. В самом общем плане такие симметрии делятся на внешние, связанные со свойствами пространства-времени, и внутренние, связанные со свойствами элементарных частиц. Примером внешней симметрии является симметрия законов квантовых объектов относительно пространственной инверсии (Р), обращения времени (Т) и зарядного сопряжения (С), т.е. замены частиц на соответствующую античастицу. Была доказана важная «теорема СРТ», согласно которой уравнения квантовой теории поля не меняют своего вида, если одновременно провести следующие преобразования: заменить частицу на античастицу, осуществить пространственную инверсию (заменить координату частицы r на —r), обратить время (заменить t на —t). Обнаружение в экспериментах отдельных нарушений этой теоремы для слабых взаимодействий является предпосылкой для представления о возможности вообще спонтанного нарушения симметрий в микромире.
Но, кроме внешних, существуют еще и внутренние симметрии, связанные со свойствами самих частиц, а не со свойствами пространства-времени. Как мы уже отмечали, каждая группа частиц характеризуется прежде всего своими специфическими законами сохранения. А каждый из законов сохранения рассматривается как проявление определенной внутренней симметрии уравнений поля. Подключая те или иные внутренние симметрии, можно как бы осуществлять переход от описания характеристик одной частицы к описанию характеристик другой. Так, «отключив» в уравнениях поля законы сохранения, присущие электромагнитному и слабому взаимодействиям, мы приходим к полному отождествлению протона и нейтрона, они становятся неотличимыми друг от друга.
Среди внутренних симметрий уравнений поля, соответствующих законам сохранения, особую роль играют калибровочные симметрии. Несколько слов о калибровочных симметриях вообще. Система обладает калибровочной симметрией, если ее существенные свойства остаются неизменными при изменении уровня, масштаба или значения некоторой физической величины. Например, в физике работа зависит от разности высот, а не от абсолютной высоты; напряжение — от разности потенциалов, а не от их абсолютных величин и др.
Калибровочные преобразования симметрий могут быть глобальными и локальными. Глобальные преобразования изменяют систему в целом, во всем ее пространственно-временном объеме. В квантовой физике это выражается в том, что во всех точках пространства-времени значения волновой функции подвергаются одному и тому же изменению. Локальными калибровочными преобразованиями называются преобразования, которые изменяются от точки к точке. В таком случае волновая функция в каждой точке характеризуется своей особой фазой, которой соответствует определенная частица.
Анализ показал, что в квантовой теории поля глобальное калибровочное преобразование можно превратить в локальное. В этом случае в уравнениях движения с необходимостью появляется слагаемое, учитывающее взаимодействие частиц. Это значит, что для связи и поддержания симметрии в каждой точке пространства необходимы новые силовые поля — калибровочные. Другими словами, калибровочная симметрия предполагает существование векторных калибровочных полей, квантами которых частицы обмениваются, реализуя данное взаимодействие. Так, силовые поля можно рассматривать как средство, с помощью которого в природе создаются присущие ей локальные калибровочные симметрии. Значение концепции калибровочной симметрии заключается в том, что на ее основе теоретически моделируются все четыре фундаментальных взаимодействия, рассматриваемые как калибровочные поля.
Простейшей калибровочной симметрией обладает электромагнетизм. Иначе говоря, электромагнитное поле — не просто определенный тип силового поля, существующего в природе, а проявление простейшей (совместимой с принципами специальной теории относительности) калибровочной симметрии, в которой калибровочные преобразования соответствуют изменениям потенциала от точки к точке.
Для представления поля слабого взаимодействия как калибровочного прежде всего необходимо было установить точную форму соответствующей калибровочной симметрии. Дело в том, что симметрия слабого взаимодействия гораздо сложнее, чем электромагнитного, поскольку само слабое взаимодействие является более сложным. Это иллюстрируется рядом обстоятельств. Так, в слабом взаимодействии нередко участвуют частицы по крайней мере четырех различных типов (при распаде нейтрона, например, нейтрон, протон, электрон и нейтрино). Кроме того, действие cлабых сил приводит к изменению их природы (превращению одних частиц в другие за счет слабого взаимодействия). Напротив, электромагнитное взаимодействие не изменяет природы участвующих в нем частиц.
Выяснилось, что для поддержания симметрии слабого взаимодействия необходимы три новых силовых поля в отличие от единственного электромагнитного поля. Значит, должны существовать три новых типа частиц — переносчиков взаимодействия, по одному для каждого поля. Они называются тяжелыми векторными бозонами со спином 1 и являются переносчиками слабого взаимодействия. Частицы W+ и W- являются переносчиками двух из трех связанных со слабым взаимодействием полей. Третье поле соответствует электрически нейтральной частице-переносчику, получившей название Z°-частицы. Существование Z°-частицы означает, что слабое взаимодействие может не сопровождаться переносом электрического заряда.
В создании теории электрослабого взаимодействия ключевую роль сыграло понятие спонтанного нарушения симметрии. Некоторые физические системы, обладающие определенной симметрией, могут лишаться ее в тех случаях, когда симметрическое состояние энергетически невыгодно (оно не обладает минимумом энергии), а энергетически выгодное состояние не обладает исходной симметрией и неоднозначно. Эта неоднозначность математически выражается в том, что уравнение движения данной физической системы представлено не одним решением, а серией решений, не обладающих исходной симметрией. В конце концов из этой серии решений реализуется какое-либо одно. Ведь не всякое решение задачи обязано обладать всеми свойствами его исходного уровня. И потому частицы, совершенно разные при низких энергиях, при высоких энергиях могут оказаться на самом деле одной и той же частицей, но находящейся в разных состояниях.
В теории Вайнберга — Салама представлено всего четыре поля: электромагнитное и три поля, соответствующие слабым взаимодействиям. В этой теории фотоны и тяжелые векторные бозоны (W± и Z°) имеют общее происхождение и тесно связаны друг с другом. Кроме того, было введено постоянное на всем пространстве скалярное поле (так называемое поле Хиггса), с которым фотоны и векторньге бозоны взаимодействуют по-разному, что и определяет различие их масс. Кванты скалярного поля представляют собой массивные элементарные частицы с нулевым спином. Их называют хиггсовскими (по имени физика П. Хиггса, предположившего их существование). Число таких хиггсовских бозонов может достигать нескольких десятков.
Почему же электромагнитное и слабое взаимодействия обладают столь непохожими свойствами? Теория Вайнберга — Салама объясняет эти различия нарушением симметрии. Если бы симметрия не нарушалась, то оба взаимодействия были бы сравнимы по величине. Первоначально W- и Z-кванты не имеют массы, но из-за нарушения симметрии некоторые частицы Хиггса сливаются с W- и Z-частицами, наделяя их массой. А фотон не участвует в этом процессе слияния с частицами Хиггса и потому не обладает массой покоя. Нарушение симметрии влечет за собой резкое уменьшение слабого взаимодействия, поскольку оно непосредственно связано с массами W- и Z-частиц. Можно сказать, что слабс взаимодействие столь мало потому, что W- и Z -частицы очень массивны.
Лептоны редко сближаются на столь малые расстояния (r = 10-18 м), на которых становится возможным обмен тяжелыми векторными бозонами. Но при больших энергиях (более 100 ГэВ), когда частицы W и Z могут свободно рождаться, обмен W- и Z-бозонами осуществляется столь же легко, как и обмен фотонами (безмассовыми частицами), разница между фотонами и бозонами стирается. В этих условиях должна существовать полная симметрия между электромагнитным и слабым взаимодействием — электрослабое взаимодействие.
Наиболее убедительная экспериментальная проверка новой теории заключалась в подтверждении существования гипотетических W- и Z-частиц. Их открытие в 1983 г. стало возможным только с созданием очень мощных ускорителей новейшего типа и означало торжество теории Вайнберга — Салама. Было окончательно доказано, что электромагнитное и слабое взаимодействия являются двумя компонентами единого электрослабого взаимодействия.
В 1979 г. С. Вайнбергу, А. Саламу и Ш. Глэшоу была присуждена Нобелевская премия за создание теории электрослабого взаимодействия.
Квантовая хромодинамика. Следующий шаг на пути познания фундаментальных взаимодействий — создание теории сильного взаимодействия. Для этого необходимо придать черты калибровочного поля сильному взаимодействию. Последнее можно представлять как результат обмена глюонами, который обеспечивает связь кварков (попарно или тройками) в адроны. Обмен глюонами изменяет «цвет» кварков, но оставляет неизменными остальные характеристики, т.е. сохраняет их сорт («аромат»).
Теория сильного взаимодействия создавалась по той же схеме, что и теория слабого взаимодействия. Требование локальной калибровочной симметрии (т.е. инвариантности относительно изменений «цвета» в каждой точке пространства) приводит к необходимости введения компенсирующих силовых полей. Всего требуется восемь новых компенсирующих силовых полей. Частицами-переносчиками этих полей являются глюоны. Таким образом, из теории следует, что должно быть целых восемь различных типов глюонов.
Как и фотоны, глюоны имеют нулевую массу покоя и спин 1. Глюоны также имеют различные цвета, но не чистые, а смешанные; глюоны состоят из «цвета» и «антицвета» (например, сине-антизеленый). Поэтому испускание или поглощение глюона сопровождается изменением цвета кварка («игра цветов»). Например, красный кварк, теряя красно-антисиний глюон, превращается в синий кварк, а зеленый кварк, поглощая сине-антизеленый глюон, превращается в синий кварк.
С точки зрения квантовой хромодинамики (квантовой теории цвета) сильное взаимодействие есть не что иное, как стремление поддерживать определенную абстрактную симметрию природы: сохранение белого цвета всех адронов при изменении цвета их составных частей — кварков. В протоне, например, три кварка постоянно обмениваются глюонами, изменяя свой цвет. Однако такие изменения носят не произвольный характер, а подчиняются жесткому правилу: в любой момент времени «суммарный» цвет трех кварков должен представлять собой белый свет, т.е. сумму «красный + зеленый + синий». Это распространяется и на мезоны, состоящие из пары кварк — антикварк. Поскольку антикварк характеризуется антицветом, такая комбинация заведомо бесцветна («белая»), например красный кварк в комбинации с антикрасным кварком образует бесцветный («белый») мезон.
Квантовая хромодинамика великолепно объясняет правила, которым подчиняются все комбинации кварков, взаимодействие глюонов между собой (глюон может распадаться на два глюона или два глюона слиться в один — поэтому и появляются нелинейные члены в уравнении глюонного поля), взаимодействие кварков и глюонов по типу КЭД (кварки покрыты облаками виртуальных глюонов и кварк-антикварковых пар), сложную структуру адрона, состоящего из «одетых» в облака кварков, и др.
На пути к Великому объединению. С созданием квантовой хромодинамики появилась надежда на построение единой теории всех (или хотя бы трех из четырех) фундаментальных взаимодействий. Модели, единым образом описывающие три (сильное, слабое, электромагнитное) из четырех фундаментальных взаимодействий, называются моделями Великого объединения.
Опыт успешного объединения слабого и электромагнитного взаимодействий на основе идеи калибровочных полей подсказал возможные пути дальнейшего развития принципа единства физики, объединения фундаментальных физических взаимодействий. Один из них основан на том удивительном факте, что константы взаимодействия электрослабого и сильного взаимодействий при переходе к малым расстояниям (т.е. к высоким энергиям) становятся равными друг другу при одной и той же энергии. Эту энергию называли энергией объединения. Она равна примерно 1014—1016 ГэВ; ей соответствует расстояние =10-29 см.
При энергии более 1014—1016 ГэВ, или на расстояниях менее 10-29 см, сильное, слабое и электромагнитное взаимодействия описываются единой константой, т.е. имеют общую природу. Кварки и лептоны здесь практически не различимы, а глюоны, фотоны и векторные бозоны W± и Z° являются квантами калибровочных полей с единой калибровочной симметрией. Ведь если электрослабое и сильное взаимодействия в действительности представляют собой лишь две стороны Великого единого взаимодействия, то последнему также должно соответствовать калибровочное поле с некоторой сложной симметрией. Она должна быть достаточно общей, способной охватить все калибровочные симметрии, содержащиеся и в квантовой хромодинамике, и в теории электрослабого взаимодействия. В то же время ее спонтанное нарушение должно приводить к разделению электрослабого и сильного взаимодействия. Отыскание такой симметрии — главная задача на пути создания единой теории электрослабого и сильного взаимодействия.
Существуют разные подходы, порождающие конкурирующие варианты теорий Великого объединения. Тем не менее все эти гипотетические варианты Великого объединения имеют ряд общих особенностей. Во-первых, во всех гипотезах кварки и лептоны — носители электрослабого и сильного взаимодействий — включаются в единую теоретическую схему. До сих пор они рассматривались как совершенно различные объекты. Во-вторых, привлечение абстрактных калибровочных симметрий приводит к открытию новых типов полей, обладающих новыми свойствами, например способностью превращать кварки в лептоны.
Так, без теорий Великого объединения невозможно описать раннюю стадию эволюции Вселенной, когда температура первичной плазмы достигала 1027К. Именно в таких условиях могли рождаться и аннигилировать сверхтяжелые бозоны Х и Y.
Кроме того, на основе теорий Великого объединения предсказаны две важные закономерности в низкоэнергетических областях, которые могут быть проверены экспериментально. Во-первых, кварк-лептонные переходы должны вызывать распады протона. Это означает его нестабильность: время жизни протона должно составлять примерно 1031 лет. Во-вторых, неизбежным следствием этих теорий является существование магнитного монополя — стабильной и очень тяжелой (108 массы протона) частицы, несущей в себе один магнитный полюс.
Супергравитация. Но объединение трех из четырех фундаментальных взаимодействий — это еще не единая теория в полном смысле слова. Ведь остается еще гравитация. Теоретические схемы, в рамках которых объединяются все известные типы взаимодействий (сильное, слабое, электромагнитное и гравитационное), называются моделями супергравитации. Теоретические модели, в которых объединяются все четыре взаимодействия (супергравитация) базируются на идее суперсимметрии, т.е. такого перехода от глобальной калибровочной симметрии к локальной, который бы позволил переходить от фермионов (носителей субстрата материи) к бозонам (носителям структуры материи, переносчикам взаимодействий), и наоборот.
Поэтому супергравитация — это теория не только переносчиков всех фундаментальных взаимодействий, но и частиц, из которых состоит вещество (кварков и лептонов). В супергравитации все они объединяются в единой теории материи (вещества и поля). Одна из теоретических моделей сводит воедино 70 частиц со спином 0; 56 частиц со спином 1/2; 28 частиц со спином 1; 8 частиц по спином 3/2 (их назвали гравитино) и 1 частица со спином 2 (гравитон). Все эти частицы образовались в первые мгновения нашей Вселенной.
Появляются модели суперсимметрии, в которых наш мир рассматривается как 11-мерное (или 10-мерное, или даже 26-мерное) пространство-время. Из 11 измерений только четыре проявляются в нашем мире, а остальные 7 остались скрученными, замкнутыми. Эти «скрытые измерения» существуют в масштабе r =10-33 см. Для проникновения в такие масштабы необходима энергия, сравнимая со всей энергией нашей Галактики!
Несомненным достоинством и свидетельством перспективности программы супергравитации является то, что под ее влиянием сложился новый подход к объединению фундаментальных взаимодействий — теория суперструн. В этой теории частица рассматривается как струна — колебательная система с распределенными параметрами. При низких энергиях струна ведет себя как частица, а при высоких — в описания движения струны нужно вводить параметры, характеризующие ее вибрацию. Математическая сторона теории суперструн оказывается проще, чем в стандартной теории: исчезают нежелательные бесконечности. Одно из важных космологических следствий теории суперструн — возможность множественности вселенных, в каждой из которых существует свой набор фундаментальных взаимодействий.
Таким образом, физика стоит на пороге создания единой теории материи, т.е. всех фундаментальных взаимодействий (поля) и структуры вещества. Возможно, что уже в первой половине XXI в. эта величайшая задача всей истории науки будет решена.
Дата добавления: 2015-12-18; просмотров: 40; Мы поможем в написании вашей работы! |
Мы поможем в написании ваших работ!