Сдвиг в области построения Единой теории поля наметился только после открытия слабого и сильного взаимодействий. Первым шагом стала теория электрослабого взаимодействия, построенная Саламом, Глэшоу и Вайнбергом в 1967 году на основе квантовой электродинамики (за нее они получили Нобелевскую премию в 1979 году, т.е. почти сразу). Затем в 1973 году была построена теория, описывающая сильное взаимодействие — квантовая хромодинамика. На основе этих двух теорий и была создана Стандартная модель, все предсказания которой подтвердились, кроме до сих пор не обнаруженного бозона Хиггса.
2. ПОДРОБНЕЕ ОБ ОБЪЕДИНЕНИИ ВЗАИМОДЕЙСТВИЙ
Одной из важных особенностей физики элементарных частиц на начальном этапе было различие между различными типами взаимодействий. Оказалось, что существует всего четыре типа фундаментальных взаимодействий: сильное, электромагнитное, слабое и гравитационное.
Интенсивность различных взаимодействий при энергиях порядка нескольких МэВ характеризуется следующими константами:
константа сильного взаимодействия бs ~ 1,
константа электромагнитного взаимодействия бe ~ 10-2,
константа слабого взаимодействия бw ~ 10-6,
константа гравитационного взаимодействия бG ~ 10-38.
В основе идеи объединения различных взаимодействий лежит зависимость констант, слабого электромагнитного и сильного взаимодействий от расстояния. Из рис.1,3 видно как появляется такая зависимость. На рис. 1 показан механизм экранировки электрического заряда(*)электрона. Причина экранировки состоит в следующем: электрон может испускать виртуальные фотоны, которые в свою очередь могут превращаться в электрон - позитронные пары e + e - , пару м+м-, пару мезонов р+р-, K+K- и т.д. В результате взаимодействия отрицательно заряженного электрона с виртуально образующимися парами частиц происходит их поляризация (поляризация вакуума). Притяжение между противоположно заряженными частицами приводит к экранировке отрицательного заряда исходного электрона положительно заряженными e+, м+, р+-мезонами, располагающимися преимущественно ближе к электрону. Поэтому, при приближении пробного заряда к электрону, он будет чувствовать распределение поля виртуальных частиц. Т. е. величина измеренного заряда будет зависеть от расстояния между пробной частицей и электроном. Это называется в квантовой электродинамике экранировкой электрического заряда. Теоретические расчеты показывают, что с уменьшением расстояния величина наблюдаемого заряда растет, что и приводит к увеличению константы электромагнитного взаимодействия.
|
Рис.1 .Механизм экранировки электрического заряда |
Рис. 2. Экранировка электрического заряда |
Аналогичную ситуацию можно ожидать и в кквантовой хромодинамике (КХД). Цветовой заряд кварка будет экранироваться. При экранировке цветового заряда кварка в хромодинамике вокруг цветного кварка образуется поле виртуальных глюонов и кварк - антикварковых пар (рис. 3). Однако в квантовой хромодинамике в распределении цветового поля имеются существенные отличия. Т.к. глюоны имеют цветовой заряд, они взаимодействуют не только с кварками, но и с друг другом, что существенно меняет распределение цветового заряда вокруг кварка. Цветной кварк оказывается окружен преимущественно зарядами того же цвета. Поэтому, например, при приближении пробного цветового заряда к красному кварку он проникает внутрь облака красного цвета и, следовательно, величина измеренного красного заряда уменьшается - наблюдается эффект антиэкранировки. Т.е. при уменьшении растояния между цветными кварками величина взаимодействия уменьшается. Это явление называется асимптотической свободой кварков в адроне на малых расстояниях. Зависимость константы сильного взаимодействия от расстояния показана на рис.4(**)
Аналогичная ситуация имеет место и для константы слабого взаимодействия, которая также зависит от расстояния.
|
Рис. 3. Механизм антиэкранировки цветного заряда |
Рис. 4. Антиэкранировка цветового заряда |
Малость константы слабого взаимодействия при низких энергиях обусловлена тем, что слабые взаимодействия происходят в результате обмена частицами, имеющими большую массу (mW ~ 80 ГэВ, mZ ~ 90 ГэВ). При энергии порядка 100 ГэВ константа слабого взаимодействия возрастает до бw ~ 1/30.
Гипотеза о том, что слабое взаимодействие также обусловлено обменом некоторой заряженной частицей было выдвинута Юкавой еще в тридцатых годах. Завершение эта идея получила в рамках единой теории, связывающей электромагнитные и слабые взаимодействия, развитой в работах С. Вайнберга, А. Салама и Ш. Глэшоу.
В этой теории, которая носит название "стандартная модель", предсказывается существование тяжелых заряженных бозонов W+ и и нейтрального бозона Z0 со спином 1, обмен которыми и обуславливает слабое взаимодействие. В теории возникает также безмассовое векторное поле, отождествляемое с электромагнитным полем.По аналогии с сильным взаимодействием члены одного семейства, порождаемые или -бозоном объединяются в слабые левоспиральные изоспиновые дублеты
и
со слабым изоспином T = 1/2, которым приписываются значения T3 = +1/2 (нe,u) и T3 = -1/2 (e,d). У антифермионов проекции слабого изоспина имеют противоположные знаки.
Слабые взаимодействия с изменением заряда (заряженные токи) описываются состояниями и . Они происходят с испусканием или поглощением или -бозонов. Слабые процессы с участием Z0-бозона были названы процессами с нейтральными слабыми токами.
Таким образом в модели Вайнберга - Салама , , Z0-бозоны и -квант являются квантами единого электрослабого поля. Стандартная модель, объединяющая электромагнитное и слабое взаимодействия, предсказывает связь между константами электромагнитного и слабого взаимодействий и соотношение между массами заряженных и нейтральных бозонов:
,
где иW - угол Вайнберга. Извлеченная из экспериментов величина sin2иW = 0.23.
Обнаружение в 1973 г. слабых нейтральных токов явилось ярким подтверждением правильности стандартной модели, в которой были предсказаны значения масс промежуточных бозонов –m(Z0) ~ 90 ГэВ ; m(W+,) ~ 80 ГэВ
В стандартной модели лептоны и кварки группируются в левоспиральные дублеты - поколения.
|
1 поколение |
2 поколение |
3 поколение |
Заряженные токи в лептонных процессах получаются при движении по столбцам. Переходов между поколениями лептонов до сих пор не наблюдалось, что зафиксировано в законе сохранения лептонных зарядов Le, Lм и Lф. Константы этих слабых процессов одинаковы или пока не различимы. Заряженные токи в процессах с кварками возможны не только при движении по столбцам, но и между поколениями, т.е. слабое взаимодействие смешивает кварки. Но слабые константы кварковых процессов
du + и su +
отличаются друг от друга и от констант лептонных процессов. Казалось, что универсальность слабого взаимодействия нарушается. Однако оказалось, что эти константы можно связать между собой. Это уже в 1963 году было сделано Н. Кабиббо, который для связи констант в-распада и распада странных частиц ввел параметр - угол Кабиббо (рис.5).
|
Рис. 5. Угол Кабиббо |
Универсальность слабого взаимодействия была сохранена. Но открытие нейтральных слабых токов поставило новую проблему-теория Кабиббо в этом случае предсказывает наличие нейтральных токов с изменением странности, что резко противоречит эксперименту. Для выхода из этого затруднения Глэшоу Илиопулос и Майани ввели 4-ый кварк с тем же зарядом, что и u-кварк .Для четырехкварковой схемы столбцы для кварков записываются следующим образом (Когда Кабибо предложил свою параметризацию, кварковой модели еще не было.)
|
. |
При этом предсказывается, что основными каналами распада очарованных кварков являются каналы c → seнe и c → sмнм, вероятность этих распадов пропорциональна cos2иc, и подавлены каналы c → deнe и c → dмнм, вероятность которых пропорциональна sin2иc. В 1973 году М. Кобаяши и Т. Маскава обобщили подход Кабиббо на шестикварковую схему. Это минимальная по числу кварков модель, в которой, наряду с тремя углами смешивания и12, и23, и13 можно ввести фазу д13, описывающую нарушение СР-инвариантности. Смешивание трех поколений кварков описывается матрицей Кабиббо-Кобаяши- Маскавы
где cij = cosиij, sij = sinиij – элементы матрицы – комбинации синусов и косинусов углов поворота. Например, первый элемент это - произведение . Современные оценки углов: и12 ~ 130, и23 ~ 20, и13 ~ 0.10. Так как отличается от единицы только в шестом знаке после запятой, результаты, полученные в четырехкварковой схеме, сохраняются.
Для определенных таким образом d', s', b'-кварков константа слабого взаимодействия имеет одинаковое значение для лептонных и кварковых семейств.
Смешивание поколений кварков стимулировало интерес к проблеме осцилляций и смешивания нейтрино. Существует ли смешивание поколений лептонов?
До сих пор говорилось об объединении электромагнитных и слабых взаимодействий. Начав с четырех взаимодействий и создав теорию электрослабых взаимодействий, физики свели их число к трем. Нельзя ли сделать следующий шаг, объединив электрослабое взаимодействие с сильным?
Модели, в которых рассматривается объединение электрослабого и сильного взаимодействий, называются Великим объединением. В основе Великого объединения лежит гипотеза, что сильное и электрослабое взаимодействия являются низкоэнергетичными компонентами одного и того же калибровочного взаимодействия, описываемого единой константой.
В модели Великого Объединения (Grand Unification) показано, что все три константы будут иметь одинаковые значения при E = 1015 Гэв. Константа Великого Объединения EGU = 1/40. При этой энергии возникает единое взаимодействие. Объединение электромагнитного и слабого взаимодействий присходит при гораздо меньших энергиях E ~ 100 Гэв. При энергии Великого Объединения должна наблюдаться симметрия между кварками и лептонами. Кванты поля, переносящие взаимодействие между кварками и лептонами, называются X и Y-бозонами. X и Y-бозоны имеют спин J = 1 и дробный электрический заряд Q(X) = +4/3 Q(Y) = +1/3.
