6. Теории элементарных частиц

Квантовая электродинамика. Позволяет описывать движение элементарных частиц, но не их рождение или уничтожение, т.е. применяется лишь для описания систем с неизменным числом частиц. Обобщением квантовой механики является квантовая теория поля — это теория систем с бесконечным числом степеней свободы (физических полей), учитывающая требования и квантовой механики, и теории относительности.

В квантовой теории поля взаимодействие представляют как результат обмена квантами поля, а полевые величины объявляются операторами, которые связывают с актами рождения и уничтожения квантов поля, т.е. частиц.

В середине XX в. была создана теория электромагнитного взаимодействия — квантовая электродинамика (КЭД). Это теория взаимодействия электромагнитного поля и заряженных частиц, а также заряженных частиц (прежде моего, электронов или позитронов) между собой. Она удовлетворяет основным принципам, как квантовой теории, так и теории относительности.

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. Фотоны возникают и исчезают очень быстро, а электроны движутся в пространстве по неопределенным траекториям. Можно определить начальную и конечную точки пути – до и после рассеяния, но сам путь в промежутке между началом и концом движения остается неопределенным.

В КЭД взаимодействие электромагнитного поля и заряженной частицы предстает в виде испускания и поглощения частицей виртуальных фотонов. А взаимодействие между заряженными частицами – как результат их обмена фотонами: каждая заряженная частица испускает фотоны, которые затем поглощаются другой заряженной частицей.

Кроме того, КЭД рассматривает эффект рассеяния света на свете, т.е. взаимодействия фотонов между собой; и предсказала рождение в сильных электромагнитных и гравитационных полях пар частица-античастица, среди которых может быть нуклон—антинуклон.

В настоящее время КЭД выступает как составная часть более общей теории – единой теории слабого и электромагнитного взаимодействий.

Теория кварков. Основоположниками теории кварков являются Гелл-Манн и Цвейг.

Это теория строения адронов, основная идея которой - 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 (фермионы).

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 (нейтрон и протон).

Более легкие пары кварк–антикварк образуют мезоны (положительный пи-мезон состоит из u-кварка и 2 d-кварка, а отрицательный пи-мезон состоит из u-кварка и d-кварка). Взаимодействие между нейтронами и протонами в ядре представляет собой остаточный эффект более мощного взаимодействия между самими кварками. Это объясняет тот факт, почему сильное взаимодействие сложное 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. Это нанесло 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 bеаutу~ красота или прелесть) и t (от top — верхний).

Кварки скрепляются между собой в результате сильного взаимодействия, переносчики которого – глюоны (цветовые заряды).

В настоящее время считается, что кварки – подлинно элементарные частицы — являются точечными, неделимыми и не обладающими внутренней структурой и напоминают лептоны.

Таким образом, на конец XX в. наиболее вероятное число истинно элементарных частиц (не считая переносчиков фундаментальных взаимодействий) равно 48: лептонов (6 • 2)=12 +кварков (6• 3) • 2 = 36. Это подлинные «кирпичики» вещества, основа материальной организации мира.

Теория электрослабого взаимодействия. Была создана независимо С. Вайн-Гюргом и А. Саламом.

Главная идея – описание слабого взаимодействия на языке концепции калибровочного поля, ключом к которой является понятие симметрии.

Симметрия — это некая физическая система законов и величин относительно некоторых определенных преобразований.

Система обладает калибровочной симметрией, если ее существенные свойства остаются неизменными при изменении уровня, масштаба или значения некоторой физической величины.

Калибровочные преобразования симметрии 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.

В квантовой теории поля глобальное калибровочное преобразование можно превратить в локальное.

Простейшей калибровочной симметрией обладает электромагнетизм. Т.е. электромагнитное поле — это проявление простейшей калибровочной симметрии, в которой калибровочные преобразования соответствуют изменениям потенциала от точки к точке.

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, а третье поле соответствует электрически нейтральной частице-переносчику, получившей название Z⁰-частицы, существование которой означает, что слабое взаимодействие может не сопровождаться переносом электрического заряда).

Ключевую роль в создании теории электрослабого взаимодействия сыграло понятие спонтанного нарушения симметрии. Некоторые физические системы, обладающие определенной симметрией, могут лишаться ее в тех случаях, когда симметрическое состояние энергетически невыгодно. При этом энергетически выгодное состояние не обладает исходной симметрией и неоднозначно. Поэтому частицы, совершенно разные при низких энергиях, при высоких энергиях могут оказаться на самом деле одной и той же частицей, но находящейся в разных состояниях. Таким образом, идея спонтанного нарушения симметрии Вайнберга и Салама объединила электромагнетизм и слабое взаимодействие в единую теорию калибровочного поля.

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 W^-) 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 векторные бозоны взаимодействуют по-разному, что и определяет различие их масс. Кванты скалярного поля представляют собой массивные элементарные частицы с нулевым спином. Их называют хиггсовскими (число их может достигать нескольких десятков).

И все же электромагнитное и слабое взаимодействия обладают 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. Слабое взаимодействие столь мало потому, что W^- и Z-частицы очень массивны.

Лептоны редко сближаются малые расстояния, на которых становится возможным обмен тяжелыми векторными бозонами. Но при больших энергиях (более 100 ГэВ), когда частицы W^- и Z^- смогут свободно рождаться, обмен W^- и Z^--бозонами осуществляется столь же легко, как и обмен фотонами и 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.

Квантовая хромодинамика. Требование локальной калибровочной симметрии 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. Из теории следует, что должно быть целых восемь различных типов глюонов.

Глюоны имеют нулевую массу покоя и спин 1, различные цвета, но не чистые, а смешанные; 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 стремление поддерживать определенную абстрактную симметрию природы, сохранение белого цвета всех адронов при изменении цвета их составных частей – кварков.

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 объясняет правила, которым подчиняются все комбинации кварков, взаимодействие глюонов между собой (глюон может распадаться на два глюона или два глюона слиться в один), 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.

Супергравитация. С созданием квантовой хромодинамики появилась надежда на построение единой теории всех фундаментальных взаимодействий. Модели, описывающие три (сильное, слабое, электромагнитное) из четырех фундаментальных взаимодействий, называются моделями Великого объединения.

Существуют разные подходы теорий Великого объединения. Но все эти гипотетические варианты имеют общие особенности.

• во всех гипотезах кварки и лептоны - носители электрослабого и сильного взаимодействий - включаются в единую теоретическую схему. До сих пор они рассматривались как различные объекты.

• привлечение абстрактных калибровочных симметрии приводит к открытию новых типов полей, обладающих новыми свойствами, например способностью превращать кварки в лептоны.

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.

Но объединение трех из четырех фундаментальных взаимодействий — это еще не единая теория, т.к. не учитывается 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).

Достоинством программы супергравитации является то, что под её 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.