3.6.3.3 Теорія електрослабкої взаємодії

У 70-і pp. XX ст. у природознавстві відбулася видатна подія: дві фундаментальні взаємодії з чотирьох фізики об'єднали в одну. Картина фундаментальних взаємодій дещо спростилася. Електромагнітна й слабка взаємодії, здавалося б, дуже різні за своєю природою, постали як різновид єдиної електрослабкої взаємодії. Теорію електрослабкої взаємодії в остаточній формі створили два фізики, які працювали незалежно один від одного, — С. Вайнберг і А. Салам. Теорія електрослабкої взаємодії вирішальним чином уплинула на подальший розвиток фізики елементарних частинок наприкінці XX ст.

Головна ідея, на основі якої побудовано цю теорію, полягає в описуванні слабкої взаємодії мовою концепції калібрувального поля, відповідно до якого ключем до розуміння природи взаємодій є симетрія. Одна з фундаментальних ідей у фізиці другої половини XX ст. — це переконаність, що всі взаємодії існують лише для того, щоб підтримувати в природі певий набір абстрактних симетрій. Яке відношення має симетрія до фундаментальних взаємодій? Адже, на перший погляд, твердження про існування подібного взаємозв'язку здається дуже парадоксальним.

Насамперед про те, що слід розуміти під симетрією. Прийнято вважати, що предмет симетричний, якщо він залишається незмінним після тієї чи іншої операції з його перетворення. Так, сфера симетрична, тому що виглядає однаково при повороті на будь-який кут щодо її центра. Закони електрики симетричні щодо заміни позитивних зарядів негативними і навпаки. Таким чином, під симетрією розуміють інваріантість системи щодо певної операції.

Існують різні типи симетрій: геометричні, дзеркальні, негебметричні. Серед неге^ ометричних є так звані калібрувальні симетрії. Калібрувальні симетрії мають абстрактний характер, органи чуття їх безпосередньо не фіксують. Вони пов'язані зі зміною відліку рівня, масштабу або значення якоїсь фізичної величини. Система має калібрувальну симетрію, якщо її природа залишається незмінною за таких перетворень. Так, наприклад, у фізиці робота залежить від різниці висот, а не від абсолютної висоти; напруга — від різниці потенціалів, а не від їхніх абсолютних величин і ін. Симетрії, на яких грунтується перегляд розуміння фундаментальних взаємодій, саме такого роду.

Калібрувальні перетворення симетрій можуть бути глобальними й локальними. Глобальні перетворення змінюють систему в цілому, у всьому її просторово-часовому об'ємі; у фізиці це виражається в тому, що у всіх точках простору-часу значення хвильової функції зазнає тих самих змін. Локальними калібрувальними перетвореннями називаються перетворення, які змінюються від точки до точки; інакше кажучи, хвильова функція в кожній точці характеризується своєю особливою фазою, якій відповідає певна частинка.

Глобальне калібрувальне перетворення теоретично можна змінити на локальне калібрувальне перетворення. Для зв'язку між ними й підтримки симетрії в кожній точці простору необхідні нові силові поля — калібрувальні. У природі існує ряд-локальних калібрувальних симетрій, і необхідна відповідна кількість калібрувальних полів для їх компенсації. Так, силові поля 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, які зустрічаються в природі, Усі їх можна розглядати як калібрувальні поля.

Найпростіша калібрувальна симетрія в електромагнетизму. Інакше кажучи, електромагнітне поле є не просто певним типом силового поля, що існує в природі, а проявом найпростішої (сумісної з принципами спеціальної теорії відносності) калібрувальної симетрії, у якій калібрувальні перетворення відповідають змінам потенціалу від точки до точки. Учення про електромагнетизм формувалося протягом століть на основі копітких емпіричних досліджень, але виявляється, що ці ж результати досліджень можна одержати чисто теоретично, грунтуючись на знанні лише двох симетрій — найпростішої локальної калібрувальної симетрії і так званої симетрії Лоренца—Пуанкаре спеціальної теорії відносності. Ґрунтуючись тільки на існуванні цих двох симетрій, не проводячи жодного експерименту з електрики й магнетизму, можна побудувати рівняння Максвелла, вивести всі закони електромагнетизму, довести існування радіохвиль, можливість створення динамо-машини й т.д. А застосування ідей локальної калібрувальної інваріантості до перетворень Лоренца автоматично приводить до побудови теорії гравітації, подібної до загальної теорії відносності.

Щоб утвердити поле слабкої взаємодії як калібрувальне, насамперед необхідно встановити точну форму відповідної калібрувальної симетрії. Справа в тому, що симетрія слабкої взаємодії набагато складніша, ніж електромагнітного. Адже і сам механізм слабкої взаємодії є більш складним. По-перше, при розпаді нейтрона, наприклад, у слабкій взаємодії беруть участь частинки принаймні чотирьох різних типів (нейтрон, протон, електрон і нейтрино). По-друге, дія слабких сил приводить до зміни їх природи (перетворенню одних частинок на інші за рахунок слабкої взаємодії). Навпроти, електромагнітна взаємодія не змінює природи частинок, що беруть участь у ньому.

З'ясувалося, що для підтримки симетрії в описі слабкої взаємодії необхідні три нові силові поля, на відміну від єдиного електромагнітного поля. Було отримано і квантовий опис цих трьох полів: повинні існувати три нові типи частинок — носіїв взаємодії, по одному для кожного поля. Усі разом вони називаються важкими векторними бозонами зі спіном 1 і є носіями слабкої взаємодії. Частинки W* і W~ є переносниками двох із трьох пов'язаних зі слабкою взаємодією полів. Третє поле відповідає електрично нейтральній частинці-носієві, який одержав назву 2°-частинки. Існування 2°-частинки означає, що слабка взаємодія не обов'язково повинна супроводжуватися переносом електричного заряду.

У створенні теорії електрослабкої взаємодії ключову роль відіграло поняття спонтанного порушення симетрії: не всяке рішення задачі повинно мати всі властивості його вихідного рівня. Так, частинки, зовсім різні при низьких енергіях, при високих енергіях можуть виявитися насправді однією і тією ж частинкою, що перебуває в різних станах. Таким чином, ідея Вайнберга і Садама про спонтанне порушення симетрії поєднала електромагнетизм і слабку взаємодію в єдину теорію калібрувального поля.

Чому ж електромагнітна і слабка взаємодії мають настільки несхожі властивості? Теорія Вайнберга — Салама пояснює ці відмінності порушенням симетрії. Якби симетрія не порушувалася, то обидві взаємодії були б порівнянними за величиною. Порушення симетрії спричинює різке зменшення слабкої взаємодії, оскільки:воно безпосередньо пов'язане з масами W- і Z-частинок. Можна сказати, що слабка взаємодія настільки мала тому, що W- і Z-частинки дуже масивні. Лептони рідко зближаються на настільки малі відстані ( м), щоб на них ставав можливим обмін важкими векторними бозонами.

Але при великих енергіях (більш як 100 ГеВ), коли частинки W і Z можуть вільно народжуватися, обмін W- і Z-бозонами здійснюється настільки ж легко, як і обмін фотонами (безмасовими частинками), відмінність між фотонами й бозонами стирається. У цих умовах повинна існувати повна симетрія між електромагнітною і слабкою взаємодією — електрослабка взаємодія.

Найбільш переконливою експериментальною перевіркою Нової теорії могло б бути підтвердження існування гіпотетичних W- і Z-частинок. їх відкриття в 1983 р. стало можливим тільки тоді, коли було створено дуже могутні прискорювачі Новітнього типу й означало торжество теорії Вайнберга — Салама. Було остаточно доведено, що електромагнітна й слабка взаємодії насправді були просто двома компонентами єдиної електрослабкої взаємодії. У1979 р. Вайнбергу С, Саламу А., Глешоу С. було присуджено Нобелівську премію за створення теорії електрослабкої взаємодії.