Материал: Єдині теорії взаємодій

У 2002 р. в лабораторії Фермі, були отримані перші результати, які можуть бути інтерпретовані як існування нового рівня в будові матерії. На прискорювачі частинок стикалися пучки протонів і антипротонів. Були досягнуті енергії, що дозволили досліджувати відстані см. При зіткненні взаємодіяли окремі кварки, викликаючи струмені адронів, що реєструвалися експериментально. Вченими підрахувалося число струменів залежно від енергії частинок. Якщо при енергіях, менших 200 ТеВ, спостерігалося гарне узгодження з прогнозами квантової хромодинаміки, то при більш високих енергіях число струменів значно перевищувало очікуване. Розбіжність починала виявлятися на відстанях у разів, менших від розміру протона. Перевищення в числі подій, що спостерігалися дослідниками, можна пояснити, якщо припустити, що розсіяння відбувається на деяких більш компактних частинках, що утворюють кварк. Якщо одержані результати підтвердяться, то це означатиме вихід за рамки Стандартної моделі у фізиці частинок. Кварки, які дотепер вважаються най фундаментальними частинками, можуть мати структури наступного рівня.

4.5 Кварк-глюонна плазма

П’ятий агрегатний стан речовини називають кварк-глюонною плазмою (чотири: тверде тіло, рідина, газ, плазма відомі давно). Кварк-глюонна плазма - стан матерії <#"804104.files/image201.jpg"> є константами, які залежать від маси m (імпульсу) обмінної частинки.

Константи фундаментальних взаємодій  залежать від m порізному. Так, стала електромагнітної взаємодії  залежить від m дуже слабо (рис.8) і тому цією залежністю, зазвичай нехтують, вважаючи, що  (m) const. Слід зазначити, що через специфічність слабкої взаємодії (вона переноситься двома сортами частинок, що мають різну масу) її характеризують двома константами взаємодій. Характер залежності цих констант від маси зображено на рис. 8.

Рисунок 8. Схема залежності констант електромагнітної  слабкої  та сильної  взаємодій від маси частинки переносника

Зіставляючи різні сталі, можна розрахувати значення характеристичних мас  , і відповідних їм енергій, при яких відбувається об’єднання констант різних взаємодій. Ці величини наведені на рис.9. Оскільки найменше значення об’єднуючої маси належить до сукупності слабкої і електромагнітної взаємодій ( m  100 ГеВ ), створення більш загальної теорії природно почати саме з їх об’єднання.

Ця задача у наш час фізиками розв’язана. Подальше об’єднання відбувається, якщо припустити, що = =,воно включає слабку, електромагнітну та сильну взаємодії (так зване Велике об’єднання).

На шляху об’єднання сильної і електрослабкої взаємодій існують дуже суттєві труднощі, які пов'язані з таким: наявністю кольору у глюонів приводить до взаємодії між ними і, отже, до кардинальної відмінності рівнянь квантової електродинаміки і квантової хромодинаміки. Електромагнітні рівняння лінійні (це відповідає відсутності електричного заряду у фотона як переносника взаємодії ), в той час як рівняння квантової хромодинаміки принципово нелінійні. Остання обставина істотно ускладнює їх розв’язок. Зокрема, проблема не вилітання кварків пов’язана саме з не лінійністю рівнянь квантової хромодинаміки, що описують взаємодію кварків.

Найважче включити у загальну теорію гравітаційну взаємодію. Це обумовлене тим, що ЗТВ описує цю взаємодію геометрично, в той час як теорії інших взаємодій є польовими. Така всеосяжна теорія, що описує чотири види взаємодії, називається Супероб’єднанням.

.3 Єдиний тип симетрії

У природі існують різні типи симетрії: геометричні, дзеркальні, негеометричні. Серед негеометричних виділяють так звані калібрувальні симетрії. Калібрувальні симетрії мають абстрактний характер і безпосередньо не фіксуються. Вони пов’язані із зміною відліку рівня,масштабу або значення деякої фізичної величини. Система має калібрувальну симетрію, якщо її природа залишається незмінною при такому роді перетвореннях. Це означає, що хвильова функція, яка визначає поле, повинна бути інваріантною відносно перетворень вигляду  exp ( ia ), де і - уявна одиниця; a - деяка стала.

Калібрувальні перетворення можуть бути глобальними і локальними. Калібрувальні перетворення, що змінюються від точки до точки, відомі під назвою “локальних калібрувальних перетворень”. В природі існує цілий ряд локальних калібрувальних симетрій, тому необхідне відповідне число полів для компенсації цих калібрувальних перетворень. Таким чином, силові поля частинок-переносників можна розглядати як засіб, за допомогою якого в природі створюються властиві їй локальні калібрувальні симетрії. Значення концепції калібрувальної симетрії полягає в тому, що завдяки їй теоретично моделюються всі чотири фундаментальні взаємодії, що спостерігаються у природі. Всі фундаментальні взаємодії в природі можна розглядати як калібрувальні поля.

Ідея об’єднання сил у природі базується на двох постулатах:

) існує єдиний тип симетрії взаємодії;

) існує єдиний тип симетрії, що характеризує фундаментальні елементарні частинки.

Розглянемо спочатку перший постулат. Раніше наводилися приклади симетрії - геометричної і внутрішньої. Геометричні симетрії визначають лише закони збереження енергії, імпульсу і моменту імпульсу, тобто загальні закони, справедливі для будь-яких динамічних рівнянь. В цьому значенні вони ніяк не сприяють пошукам рівнянь єдиної теорії. Істотно більшу обмежуючу роль виконують внутрішні квантові числа. Вже вказувалося на те, що квантові числа обмінних частинок визначають характер взаємодії. Проте, при такому підході створюється враження ізольованості взаємодій, оскільки квантові числа обмінних частинок здаються дуже різними. Все ж між ними є і деяка схожість: спіни обмінних частинок трьох взаємодій однакові і дорівнюють одиниці. Ця обставина і є та спільність, яка сприяє об’єднанню. Універсальність калібрувальної інваріантності - одна з основ об’єднання взаємодій.

Інша спільність пов’язана з узагальненням властивостей фундаментальних елементарних частинок. Під фундаментальними частинками розуміють об’єкти, з яких складається вся решта суб’ядерних частинок. Зрозуміло,що такими частинками повинні бути ферміони. Дійсно, з частинок з напівцілим спіном можна утворити бозони з цілим спіном (1/2+1/2=1), але неможливо з бозонів скласти ферміони (1+1=2). Частинки, що мають розмір теж не можуть бути фундаментальними.

Виявляється, під визначенням фундаментальних частинок потрапляє дуже невелика кількість. До таких частинок належать перш за все лептони і,можливо, кварки. Елементарність лептонів випливає з експериментальних даних, які свідчать, що розміри електронів і мюонів < см, а також теоретичних міркувань. Дійсно,квантова електродинаміка - теорія, що описує поведінку заряджених лептонів, базується на уявленні про їх точковість і при цьому чудово узгоджується з експериментом.

Більш проблематичне тлумачення про фундаментальність кварків. Виміряти надійно розміри кварків на сучасному рівні розвитку науки не можливо. Але поки що немає беззаперечних експериментів, які суперечать їх точковості. Та обставина, що всі адрони складаються з кварків, - серйозний аргумент на користь їх дійсної “фундаментальності”.

Отже, об’єднання повинне здійснюватися на основі лептонів і кварків. Електрослабка взаємодія не включає сильної, тому таке об’єднання повинно включати лише лептони. Найпростіший варіант об’єднання - припущення, що кожний лептон і відповідне йому нейтрино утворюють аналог ізотонічного мультиплету (дублет).

Складнішим є об’єднання обмінних частинок. Потрібно об’єднати фотон, переносник електромагнітної взаємодії і важкі бозони (з масою  100ГеВ), що переносять слабку взаємодію. Цю задачу успішно розв’язали Вайнберг, Глешоу і Салам, за що і одержали Нобелівську премію у 1979 році.

У цій теорії існує чотири поля: електромагнітне і три поля, що відповідають слабкій взаємодії. Крім того,введене стале на всьому просторі скалярне поле (поле Хігса), з яким частинки взаємодіють по-різному, що і визначає відмінність їх мас. Кванти скалярного поля є новими елементарними частинками з нульовим спіном. Їх називають хігсовими. Число різновидів хігсових бозонів, що передбачені різними варіантами теорії, може досягати декількох десятиліть, але найбільш популярними є теорії з двома видами бозонів. Дослідним шляхом такі бозони не знайдені, хоча оцінками, зробленими у 2001 році, їх маса повинна складати 144,4-196 ГеВ. Ці енергії цілком досяжні для сучасних прискорювачів.

З теорії електрослабкої взаємодії випливає, що при енергіях, які перевищують 100 ГеВ, слабкі та електромагнітні сили неможливо розпізнати. Разом з тим, симетрія між силами спонтанно порушується при енергіях, які ми спостерігаємо у повсякденному житті ( на відстанях r> м ). Це явище можна розглядати як деякий фазовий перехід.

У процесі порушення симетрії  - і  - бозони захоплюють частинки Хіггса, в результаті чого набирають маси. Фотон же частинку Хіггса не поглинає і залишається безмасовим. Спостережувана відмінність властивостей електромагнітної і слабкої взаємодій пояснюється особливостями характеристик їх частинок-переносників. Якщо до фазового переходу обидві взаємодії були близькими за величиною, порушення симетрії спричиняє різке ослаблення слабкої взаємодії, оскільки її переносники  - і - частинки є дуже масивними.

Таким чином, у сучасній схемі електрослабкої взаємодії при малих енергіях електромагнітна взаємодія переноситься фотонами; слабка -  - і - бозонами. При великих масах (енергіях ) існує єдина взаємодія, яка передається усіма чотирма частинками.

Проміжні бозони були виявлені у 1982 - 1983 роках двома групами фізиків у ЦЕРНі. Експерименти проводилися на прот-антипротонному колайдері - в якому взаємодіяли зустрічні пучки протонів і антипротонів, кожний з яких прискорювався до енергії 270 ГеВ. Було встановлено, що маса  - бозонів дорівнює 80,48  0,091 ГеВ, а - бозона 91,187 0,007 ГеВ, ці величини добре узгоджуються з прогнозами теорії.

Проміжні , - бозони - нестабільні частинки, час їх життя складає всього t  3 с. Незважаючи на це, їх народження надійно встановлюється за природою і енергією продуктів розпаду.

.4 Велике об’єднання

В 70-90 - роки ХХ століття було розроблено декілька,конкуруючих між собою теорій Великого об’єднання. Найперша з них запропонована Джорджі і Глешоу у 1974 році. Більшість цих теорій є калібрувальними і базується на використанні групи симетрії SU(5).

З фізичної точки зору всі варіанти теорії Велике об’єднання базуються на одній і тій же ідеї. Якщо електрослабка і сильна взаємодії насправді є лише двома сторонами єдиної взаємодії, то останнім також має бути притаманним калібрувальне поле з деякою складною симетрією. Ця симетрія повинна бути достатньо загальною, здатною охопити всі калібрувальні симетрії, що містяться в квантовій хромодинаміці, і в теорії електрослабкої взаємодії. Пошук такої симетрії - головне завдання на шляху створення єдиної теорії сильної і електрослабкої взаємодії. Існують різні підходи, що породжують конкуруючі варіанти теорії Велике об’єднання, проте всі ці гіпотетичні варіанти мають ряд загальних особливостей.

По-перше, в усіх гіпотезах кварки і лептони та носії сильної та електрослабкої взаємодій входять до єдиної теоретичної схеми, тоді як дотепер вони розглядаються як абсолютно різні об’єкти.

По-друге, залучення абстрактних калібрувальних симетрій приводить до введення нових типів полів, що характеризуються новими властивостями, наприклад здатність перетворювати кварки на лептони.

Навіть в найпростіших схемах Великого об’єднання, крім чотирьох частинок, що переносять електрослабку взаємодію, і восьми глюонів, що переносять сильну, повинні існувати 12 надважких Х- і Y- бозонів з масою  ГеВ і спіном, що дорівнює 0, які переносять одночасно слабку, електромагнітну і сильну взаємодії. Кожне з Х- і Y- полів набуває трьох значень кольорового заряду і має електричні заряди, що дорівнюють е і е відповідно. Надважкі векторні бозони Х і Y спричиняють перехід кварків і лептонів один в інший, тому їх ще називають лептокварками.

Енергія, необхідна для прямої перевірки теорії Великого об’єднання шляхом реакцій між частинками, така велика ( ГеВ), що навряд чи буде досягнута на прискорювачах в осяжний час.

Одним з найбільших електрон-позитронних колайдерів у наш час є LEPC лабораторії ЦЕРН. Його довжина складає 27 км, він працює на енергії центру мас частинок, що стикаються.

У Всесвіті існують дві стабільні частинки відмінні від нуля: електрон і протон. Електрон - найлегша заряджена частинка у природі. Всі більш легкі частинки (фотон, нейтрино) електонейтральні. Таким чином, розпаду електрона перешкоджає закон збереження електричного заряду. Існує багато потенціальних каналів розпаду протона (на піон і нейтрино), але експериментально вони не спостерігаються. Щоб сумістити цей факт з правилом “все, що може відбуватися у світі елементарних частинок, відбувається”, фізики ввели закон збереження баріонного заряду. Заборона порушення закону збереження цього заряду і забезпечує стабільність протона.

Закон збереження баріонного заряду був введений за аналогією до закону збереження електричного заряду. Але електричний заряд, крім того, що він є величиною, яка зберігається, несе і іншу важливу функцію. Електричний заряд - кількісна міра електромагнітної взаємодії. Баріонний заряд цю функцію не виконує. З великим ступенем точності на досліді вдалося показати непричетність баріонного заряду до далекодійних взаємодій, тому виникли сумніви відносно аналогії між електричним і баріонним зарядами. Це й обумовило сумніви вчених відносно стабільності протона.

Нестабільність протона вкрай мала. Теоретичні оцінки часу життя протона у різних моделях дають значення  років. Однак такий великий час життя не виключає можливості експериментальної перевірки прогнозу теорії. Якщо час життя складає  років, то в одному кубічному метрі води повинен протягом одного року розпадатися один протон. Сучасна експериментальна техніка дозволяє зареєструвати такі події, але поки знайти розпад протона не вдалося. З останніх експериментальних даних випливає, що час життя протона перевищує 1,6 років.