Здавалка
Главная | Обратная связь

Электрослабое взаимодействие



 

Многие из сильно взаимодействующих частиц — адронов — имеют электрический заряд и тем самым участвуют в электромагнитных взаимодействиях. Кроме того, адроны участвуют в слабых взаимодействиях, и типичный пример тому — /3-распад нейтрона. Однако, как мы показали выше, адроны составлены из кварков. Поэтому вполне естественно ожидать, что электромагнитное и слабое взаимодействия адронов отражает наличие соответствующих взаимодействий у кварков. Теоретическое описание таких

взаимодействий было построено в 60-70 гг. Ш. Глэшоу, С. Вайнбергом и А. Саламом, удостоеными в 1979 г. Нобелевской премии по физике.

Заслуга этих ученых состоит в создании теории, объединившей в себе два типа взаимодействия, которые долгое время представлялись не связанными друг с другом. В новой теории, теории электрослабого взаимодействия, электромагнитное поле и поле слабого взаимодействия представляются разными компонентами одного поля, с которым связаны четыре кванта — j, W+, W~, Z0. По современной классификации все эти четыре частицы являются бозонами. Взаимодействие заряженных частиц, которое, как считалось,

происходит лишь путем обмена квантами электромагнитного поля —фотонами, на очень малых расстояниях между частицами (~ 10~15 см и меньше) изменяет свой характер. В игру вступает новый механизм — обмен тяжелым промежуточным нейтральным бозоном Z0, и на таких расстояниях следует учитывать оба типа взаимодействия — электромагнитное и слабое. Новая теория существенным образом отличается от старой тем, что в ней взаимодействуют не только заряженные частицы — взаимодействуют протон с нейтроном, два нейтрона, нейтрино рассеивается на нуклонах и т. п. Подчеркнем, что здесь речь идет о взаимодействии, не являющимся сильным.

Еще в 60-х годах физики-теоретики обратили внимание, что существует, по-видимому, какая-то глубокая симметрия между кварками различных ароматов и лептонами. На существование такой симметрии указывает следующая таблица:

Поколения фермионов

Как видно из таблицы, электрические заряды частиц, расположенных горизонтально, одинаковы, разности зарядов нейтрино и заряженных лептонов равны разности зарядов верхних и нижних кварков, но в то же время симметрия не является полной, сами заряды у лептонов и кварков естественным образом разбиваются на три группы, или, как говорят, на три поколения фундаментальных частиц. Каждое поколение содержит четыре частицы, занимающие столбец в таблице: «верхний» и «нижний» лептоны и «верхний» и «нижний» кварки. Самые легкие частицы образуют первое поколение. В каждом из последующих поколений заряженные частицы тяжелее, чем в предыдущем. Отметим, что лептоны каждого поколения характеризуются, как указывалось выше, своим лептонным зарядом.

Именно на основе кварк-лептонной симметрии еще в 1964 г. было предсказано существование с-кварка. После открытия в 1975 г. т-лептона на основе той же симметрии было предсказано существование b- и t-кварков. Правдивый кварк (или tоp - кварк) был открыт совсем недавно, в 1995 г., в полном соответствии с кварковой симметрией.

Фермионы первого поколения в совокупности с фотонами является той материей, из которой построена современная Вселенная. Из u- и d-кварков состоят нуклоны, а значит, и ядра атомов, из электронов — атомные оболочки.

Без электронных нейтрино не могли бы протекать реакции ядерного синтеза в Солнце и звездах. Что касается фермионов второго и третьего поколений, то их роль в современном мире очень мала, но, по-видимому, они играли важную роль в ранней Вселенной, в первые мгновения т. н. Большого взрыва.

Теперь рассмотрим на нескольких примерах, каким образом промежуточные бозоны участвуют в различных распадах. Основой «слабых» процессов с участием лептонов является испускание и поглощение W-бозонов, причем эти переходы всегда происходят только внутри одного поколения. В качестве иллюстрации на рис. 12.5 показана диаграмма β-распада отрицательного мюона

 

μ~ —> е~ + ν*e + νμ

 

с участием W~-бозона. Этот процесс можно стадии: вначале мюон испускает бозон и нейтрино

 

~ —> W~-μ),

 

а затем отрицательный W~-бозон рождает пару (е~, ν-е).

В отличие от лептонов, процессы поглощения и испускания W-бозонов в системе квар-

кварков могут приводить к переходам между поколениями. Поэтому наряду с реакциями

 

u--> d + W+ или

 

d à u + W~

 

происходят кварковые переходы

 

u —> s + W+

u —> b + W+

 

 

Рис. 12.5

 

 

Конечно, такие переходы между соседними поколениями менее вероятны, чем внутри одного поколения. Цепочки этих превращений идут от массивных кварков к более легким:

 

t àbàcàsàu <-àd

(12.16)

В отличие от сильных взаимодействий, в слабых взаимодействиях может

изменяться странность или очарование, и для слабых взаимодействий формулируют не строгий закон сохранения странности

 

∆S = 0, ±1. (12.17)

В качестве примера можно привести распад нейтрального Λ-гиперона

 

Λ° à р + е- + ν-e

(12.18)

при котором ∆S = 1, а также распад тяжелого

B-мезона на D0 с последующим образованием К-

 

B-à D0--μ

 

D0 àK- +W+

(12.19)

Рис. 12.6 служит иллюстрацией рассмотренных процессов. На нем изображены β-распад

нейтрона, который можно рассматривать на кварковом уровне как переход одного из

d-кварков в u-кварк по схеме

 

d -> W~ + u -> е~ + ν-e + u (12.20)

 

и нелептонный распад

 

Λ° —>• р + π~,

 

при котором одновременно с обменом W-бозоном внутри кварковой системы происходит рождение пары (uu-) при поглощении глюона.

Теория электрослабого взаимодействия естественным образом объяснила эффект несохранения пространственной четности и позволила указать привлекательную возможность для теоретического описания нарушения СР-инвариантности в слабых процессах. Успехи этой теории вселили надежду на то, что возможно построение новой, более

Рис. 12.6

 

общей теории, которая объединит воедино все известные нам взаимодействия. Эта, еще не созданная, теория уже получила название «Великое объединение». Ее создание явилось бы очередным важным шагом на пути познания тайн микромира.

Наконец, должна быть еще одна частица, в существовании которой практически никто не сомневается. Это гравитон, т. е. квант переносчик гравитационного взаимодействия (s = 2). Но гравитация заведомо нахо­дится за пределами экспериментальной физики частиц. Дело в том, что гравитационное взаимодействие является, с точки зрения физики элемен­тарных частиц, очень слабым. Его роль может стать заметной при изучении микропроцессов лишь при фантастических, так называемых планковских энергиях порядка Е ~ тРс2 = (hc/G)1/2 с2 = 1.22 • 1019GeV. Здесь G -ньютоновская константа гравитационного взаимодействия, a тp -так на­зываемая планковская масса (~ 10-5грамм!), которая определяет и харак­терную планковскую длину: Λр ~ h/mpc ~ √hG/c3 ~ 10-33см. Есте­ственно, что эксперименты при таких энергиях и расстояниях также вряд ли когда-либо будут доступны человечеству. Однако же квантовые гравита­ционные процессы, несомненно, играли ключевую роль в момент Большо­го Взрыва и, таким образом, определили будущую эволюцию Вселенной. Поэтому квантовая гравитация представляет принципиальный интерес для релятивистской космологии. Многие теоретики считают, что без понима­ния квантовой гравитации невозможно решить целый ряд принципиальных вопросов теории элементарных частиц. К сожалению, квантовая теория гра­витации до сих пор не построена, и тому имеется целый ряд серьезных при­чин. Попытки квантования релятивистской теории гравитации Эйнштейна (общей теории относительности) неизбежно наталкиваются на практически непреодолимые трудности, связанные со сложным нелинейным характером этой теории. Кроме того, во всех вариантах такого квантования получается существенно неперенормируемая теория, к которой, практически, неприме­нимы методы современной квантовой теории поля. Разумеется, активные исследования в этой области ведутся уже много лет. Есть много красивых подходов и обобщений обычной теории гравитации, таких, например, как супергравитация. Есть красивые идеи «индуцированной» гравитации, когда теория Эйнштейна рассматривается как низкоэнергетический (феноменоло­гический) предел, возникающий при рассмотрении квантовой теории поля в искривленном пространстве - времени.

Наконец, есть еще более фантастические возможности. Существует идея, что квантовая теория поля и стандартная модель являются эффек­тивными феноменологическими теориями, построенными на новой осно­ве фундаментальной теории струн. В этом подходе в основе всего ле­жат не точечные частицы, а струны с характерными размерами поряд­ка Λр ~ 10-33 см. Эти струны движутся (колеблются) в многомерных про­странствах и обладают бозон-фермионной симметрией (суперструны). На языке таких представлений разрабатывается «теория всего».

Однако, описание взаимодействий элементарных частиц, которое формирует окружающий мир и ответственно за его происхождение зачастую базируется на достаточно сложных математических моделях, требующих применения специфического математического аппарата для их реализации. Именно поэтому знакомство с современными подходами и способами решения физических задач весьма полезно и овладение математическим аппаратом при изучении физического мира необходимо каждому, интересующемуся физикой.

Следует заметить, что при описании современного состояния теории элементарных частиц использованы оценки, базирующиеся на размерных оценках, что позволило сразу же получить количественные характеристики микромира. По крайней мере, их использование не требовало глубоких знаний математики и позволило более конкретно ощутить всю мощь теории и проблемы.







©2015 arhivinfo.ru Все права принадлежат авторам размещенных материалов.