Концепции объединенных фундаментальных взаимодействий

В п. 3.2 мы говорили о протоне, как об устойчивой частице, состоящей из двух верхних (и) и одного нижнего (d) кварков. Теперь привели образ протона в виде сети виртуальных процессов. Как согласовать всё это? Из чего же «сделан» протон?

По Фоку, для микрочастиц существует принцип относительности к условиям их наблюдения. При одних условиях мы «видим» один образ. При других, с иной точки зрения, «вид» частицы будет другим. Самым главным условием наблюдения свойств микрочастиц является диапазон доступных энергий. Чем выше энергия микрочастицы, тем вероятнее образование облака (или «атмосферы») виртуальных партнеров вокруг неё. Согласно соотношению неопределенностей для энергии и времени, на очень малое время энергия движущейся элементарной частицы может стать достаточной для рождения даже более массивной виртуальной частицы, чем исследуемая нами частица.

Ускорение микрочастиц, осуществляемое наблюдателем с помощью сложного оборудования, повышает энергию и делает виртуальные процессы все более эффективными. Если за короткое время жизни виртуальной частицы ничего особенного не произойдет, она исчезнет, вернув свою энергию-массу. Если же протон в этот период испытает столкновение с другой реальной частицей, то одна из виртуальных частиц может перейти в реальную форму существования. Столкновения помогают виртуальным частицам приобрести «права гражданства» в мире реальных частиц.

Наоборот, в диапазоне низких энергий, протон все больше походит на бесструктурную, «элементарную» частицу. Именно при таких условиях наблюдения мы измеряем обычно массу покоя протона, его заряд и спин. Можно сказать, что в этом проявляется относительность движения, о которой мы говорили в главе 4.

В области релятивистских скоростей и огромных энергий ускоренных частиц ослабевает зарядовое взаимодействие, так как силы кулоновского действия все более компенсируются силами магнитного взаимодействия зарядов (см. п. 5.2). И тогда на смену им приходят другие законы взаимодействия. Для протона это будут взаимодействия с участием пи-мезонов.

По идее Худеки Югавы, высказанной ещё в 30-е гг. XX в., именно эти частицы «связывают» протоны с нейтронами и другими протонами в ядрах атомов.

Основные положения концепции

электрослабмх взаимодействий

Нуклеарно-планетарная модель атома Резерфорда поставила перед классическим естествознанием две проблемы. Первая из них, проблема стабильности электронной оболочки, нами уже обсуждалась. Второй является проблема стабильности атомного ядра.

Почему столь малое по размерам ядро не разрывается электростатическим отталкиванием положительно заряженных протонов? И почему некоторые ядра все же распадаются? Чтобы ответить на эти вопросы, потребовалось немало времени. Только к середине нынешнего столетия удалось разработать теории новых двух взаимодействий, которых не знало классическое естествознание. Речь идет о теории сильных и слабых взаимодействий элементарных частиц.

Термин сильные относится к взаимодействиям, передаваемых л-мезонами на коротких расстояниях (в пределах ядра). Слабые взаимодействия ответственны за нестабильность нейтрона и его превращение в протон с испусканием антинейтрино и электрона (или р-частицы, что и определяет p-распад ядер). Эти взаимодействия происходят на ещё более коротких расстояниях - в пределах одного нуклона.

Для пояснения происхождения терминов полезно сравнить интенсивность взаимодействий, например двух протонов, находящихся на расстоянии порядка размеров ядра. Примем за единицу кулоновское отталкивание. В табл. 11 приведены оценки относительной интенсивности фундаментальных взаимодействий.

Таблица 11

Интенсивность взаимодействий

Взаимодействие

Относительная

интенсивность

Область действия

1. Гравитационное

10“37

не ограничена

2. Электрическое

1

не ограничена

3. Сильное

100

10-15 м

4. Слабое

0,001

г-

1

О

К началу 60-х гг. прошлого века теория сильных взаимодействий была хорошо разработана и описывала многие свойства ядер и ядерных реакций.

Считалось, что нуклоны являются источниками мезонного поля (поля Юкавы). Все известные к тому времени и вновь открываемые элементарные частицы стали классифицировать на адроны и лептоны. Первые способны участвовать в сильных взаимодействиях, тогда как вторая группа частиц участвует только в слабых взаимодействиях. Что же двигало физиками-теоретиками, когда они пытались создавать концепции объединенных взаимодействий?

Философы говорят, что в человеческой практике Мир предстает как многообразие форм и процессов движения материи. Наше сознание, интуитивное и рациональное, ищет и находит закономерности в процессах движения, устанавливает определенное единство за фасадом разнообразия структур и форм. Каждое открытие нового многообразия стимулирует поиски нового внутреннего единства и порождает гипотезы, теории и концепции нового объединения.

Первой концепцией объединения можно считать теорию гравитации Ньютона. Все тела, по Ньютону, создают поле гравитации независимо от их формы и состояния (температуры например). Наличие динамической массы у фотонов приводит к их взаимодействию с гравитационным полем.

Второй объединительной теорией в физике стала электродинамика Максвелла. Она объединила, ранее рассматривавшиеся раздельно, поле электрическое и поле магнитное.

Объединительной концепцией в биологии была классификация К. Линнея. Л. Пастер открыл многообразие микроорганизмов (микробов). Д.И. Менделеев объединил в стройную систему многообразие химических элементов. Так что поиск общих начал, как выражение интегративной тенденции, был всегда характерен для естествознания, включая и физику. С поиска элементарных частиц - кварков и попыток создания теорий объединения электромагнитных и слабых ядерных взаимодействий условно начинается период постнеклассического (современного) естествознания.

В течение 1962-1968 гг. Ш. Глэшоу, С. Вайнберг и А. Садам, независимо друг от друга, опубликовали первые варианты теории электро- слабых взаимодействий (в 1979 г. они получили Нобелевскую премию по физике за эти работы). К настоящему времени теория прошла определенный период «увязки» спорных моментов и ее основные положения можно представить следующим образом.

  • 1. В области энергии частиц тс2 > 100 000 МэВ существуют четыре векторных динамических поля и одно скалярное, более фундаментальное, чем электромагнитное и слабое ядерное. Разделение на векторные и скалярное поля связано с наличием спина у квантов первых полей и с равенством его нулю у частиц второго поля.
  • 2. Возбужденным состояниям полей соответствуют свои частицы- волны.

Векторным полям соответствуют бсзмассовые частицы (их масса покоя равна нулю). Этим они похожи на фотоны и глюоны. Отличаются от них тем, что имеют электрический заряд. Если глюоны можно назвать окрашенными фотонами, то кванты векторных полей следует назвать заряженными фотонами.

Скалярному полю соответствуют очень массивные частицы-волны, получившие имя бозонов Хиггса (поиск этих частиц запланирован на введенном в 2008 г. суперколайдере CERN).

3. Скалярные бозоны Хиггса взаимодействуют с безмассовыми частицами, и в результате суперпозиции полей происходит следующее. Стационарными состояниями становятся три частицы - векторные бозоны и одна частица безмассовая - обычный фотон.

Теория электрослабых взаимодействий предсказывала величину масс новых частиц: примерно 80ГэВ для бозонов W' и W~ и около 90 ГэВ для ^-бозона. Электрические взаимодействия характерны для электронов или (3-частиц, а нейтрино всегда присутствует в слабых взаимодействиях. Объединенная теория дала их связь между собой, предсказывалось превращение электрона в электронное нейтрино при испускании векторного бозона по реакции (46).

Согласно объединенной теории, диаграммы Фейнмана для реакций распада нейтрона и рассеяния нейтрино на электроне выглядят следующим образом (рис. 63).

Диаграммы Фейнмана для реакций распада нейтрона и рассеяния нейтрино

Рис. 63. Диаграммы Фейнмана для реакций распада нейтрона и рассеяния нейтрино

Сначала нейтрон испускает бозон W и превращается в протон, затем бозон W распадается на антинейтрино и электрон (бета-частицу). При рассеянии нейтрино испускает нейтральный Z-бозон, электрон его поглощает, что меняет направления импульсов частиц.

В 1983 г. в Европейском центре ядерных исследований (CERN) экспериментально было установлено существование векторного бозона с массой 81 ГэВ. Позднее была определена и масса нейтрального бозона:

m0c2(Z°) = 91,3 МэВ.

Следует заметить, что это самая массивная из открытых элементарных частиц, ее масса сравнима с массой атома серебра! Прекрасное совпадение теоретических значений предсказываемых масс покоя и экспериментально определенных послужило решающим доводом в пользу полного признания теории объединенных электрослабых взаимодействий.

Распад объединенного электрослабого взаимодействия на слабое и электромагнитное, происходящее при энергиях ниже 1011 эВ (округленно), иногда называют пороговым понижением симметрии фундаментальных взаимодействий.

 
Посмотреть оригинал
< Пред   СОДЕРЖАНИЕ   ОРИГИНАЛ     След >