Теория «Великое объединение»
После блестящего подтверждения на опыте теории электрослабого взаимодействия, физики заинтересовались возможностью дальнейшего объединения фундаментальных типов взаимодействий. Намечалось объединить с электрослабым сильное взаимодействие. Для этого было необходимо сначала сильному взаимодействию придать черты калибровочного поля. Суть идеи состоит в следующем. Каждый кварк служит источником глюонного поля. Известно, что электромагнитное поле порождается зарядом только одного сорта, а для создания более сложного глюонного поля потребовалось три различных цветовых заряда (е/3, «-»е/3 и 2е/3) с условными названиями, соответственно: красным, зеленым и синим. Красный кварк может превращаться в зеленый или в синий кварк и наоборот.
Создание теории «Великое объединение»взаимодействия рассматривается по тому же сценарию, что и теория электрослабого взаимодействия. Для создания локальной калибровочной симметрии, в каждой точке пространства необходимо введение компенсирующих силовых полей. Расчеты показывают, что требуется восемьновых компенсирующих силовых полей. Частицами – переносчиками этих полей, являются глюоны восьми типов. Кварк, испуская глюон, меняет свой цвет. Например, красный кварк, испустив, красный глюон, изменит свой цвет на синий цвет.
Кварки участвуют как в сильном, так и в слабом взаимодействии. Глюоны изменяют цвет кварка, а слабое взаимодействие изменяет его аромат.Например, d-кварк испуская W- - частицу превращается в u-кварк. В протоне три кварка постоянно обмениваются глюонами, изменяя свой цвет. Цвет кварков меняется с соблюдением следующего правила. В любой момент времени «суммарный» цвет трех кварков должен представлять собой сумму «красный+зеленый+синий». Эту сумму назвали условно «белым цветом», кроме того, сумма цветов кварка и антикварка также «белая». Лептоны лишены цвета, поскольку не взаимодействуют с глюонным полем.
Квантовая теория цвета, или квантовая хромодинамика (КХД) великолепно объясняет правило комбинации кварков. С точки зрения КХД, сильное взаимодействие есть не что иное, как стремление поддерживать симметрию природы. В данном случае - это сохранение белого цвета всех адронов.
Первоначально казалось, что провести экспериментальную проверку существования кварков в адронах нетрудно, т.к. изолированный кварк имеет дробный заряд, и измерить его не составляет трудности. Хотя с тех пор прошло много времени, более 40 лет, однако ученым до сих пор не удалось, при помощи мощных ускорителей «расщепить» адрон, доказать правильность теории кварков. Опыты, проведенные с энергией, многократно превосходящей массы покоя, показали, что протон все равно никак не расщепляется. Казалось бы, кварки внутри адрона связаны столь крепко, что никакие силы в мире не в состоянии разорвать эти связи и освободить кварков. Почему же тогда могут существовать изолированные лептоны, а изолированные кварки - не могут? Дело в том, что лептоны бесцветны, а кварки цветные.
Все известные взаимодействия ослабевают с увеличением расстояния, тогда как в случае сил, действующих между кварками, наблюдается обратная картина. Они ведут себя как кусок резины. Появляется ощущение, что кварки внутри адронов скованы цепями. В настоящее время идея удержания кварков получила всеобщее признание. Удалось понять, каким образом взаимодействие между кварками усиливается с ростом расстояния. Считают, что глюоны, не только соединяют кварки, но и стремятся соединиться друг с другом. Английское слово «gluon» означает клей. На самом деле гюоны оказались не клеем, а суперклеем.
Таким образом, с появлением КХД, все фундаментальные взаимодействия, наконец, приобрели, единое описание на основе калибровочных полей. В 1973 г., Глешоу опубликовал теорию, в которой электрослабое взаимодействие сливалось с сильным взаимодействием. Это была первая теория «Великого объединения» (ТВО). Ныне существует несколько ТВО. Все они основаны на одной и той же идее – суперсимметрии. Отыскание суперсимметрии – это задача математиков. Единой симметрии, которая обладала бы всеми нужными свойствами, не существует, отсюда и обилие конкурирующих теорий. Однако у них есть общая черта: все ТВО считают, что кварки являютсяносителями сильного взаимодействия, а лептоны – электрослабого взаимодействия. Объединение кварков и лептонов в единую теорию было совершено новой идеей – это важный шаг на пути к ТВО.
Суперсимметрия позволяет превращать кварки в лептоны и даже в антикварки, т.е. осуществляет переходы, абсолютно запрещенные в прежних теориях. Как и прежде, с помощью компенсирующих полей, соблюдается калибровочная симметрия. Компенсирующие поля приводят к открытию новых типов полей, обладающих способностью превращать кварки в лептоны. В простейшем варианте для осуществления ТВО, предложенной Глешоу и связывающей красные, зеленные и синие d-кварки с позитронами и нейтрино воедино требуется двадцать четыре поля. Двенадцать квантов этих полей уже известны: фотон, три частицы промежуточных бозонов (отрицательная, положительная и нейтральная) и восемь гюонов. Остальные двенадцать частиц назвали Х-частицами, их электрический заряд равен е/3 и 4е/3.
Согласно ТВО, протон состоит из двух u-кварков и одного d-кварка. Один из u-кварков испускает Х-частицу и превращается в анти-u-кварк. Из u-кварка и анти-u-кварка образуется мезон (точнее пион). Позитрон не участвует в сильном взаимодействии и вылетает из протона. Таким образом, происходит распад протона на позитрон и пион: р=π0+ е+. Отсюда следует, что самая стабильная частица - протон также распадается и следовательно, в этом мире нет нечего вечного: все рождается, функционирует и гибнет. Даже черные дыры неустойчивы и, в конце концов, взрываются, создавая потоки радиации (Стивен Хокинг - США). Приблизительные расчеты показывают, что время жизни протона около 1031 лет, а масса Х-частицы примерно равна 1014 масс протона. Расстояние, которое проходят Х-частицы равно примерно 10-29 см. Масштаб пространства, где господствует ТВО и происходит распад протона, в триллионы раз мельче мира кварков и глюонов. ТВО напоминает Вселенную внутри протона. Согласно ТВО все три типа фундаментальных взаимодействий могут быть сравнимы по величине на расстоянии примерно 10-29 см. В этом малом расстоянии электромагнитное, слабое и сильное взаимодействия сливаются в одно взаимодействие, и различие между кварками и лептонами исчезает. Физики называют величину, равную 1014 массой протона, масштабом объединения. Для прямого наблюдения, такого масштаба пришлось бы построить ускоритель, превосходящий по своим размерам Солнечную систему, ускоряющий до энергии 1014 МДж.. Это очень огромная энергия, она позволяет расщипать протона.
Вопросы для самоконтроля
1. Какие типы взаимодействия ученые наметили объединить?
2. Какие «цвета» (заряды) имеют кварки?
3. Почему в каждой точке пространства, где есть электрослабое и сильное взаимодействие необходимо вести восемь компенсирующих силовых поля
4. Как называют частицы переносчики восьми компенсирующих силовых полей?
5. Какие частицы, испуская глюоны, меняют свой «цвет»?
6. Какие частицы участвуют как в сильном, так и в слабом взаимодействии?
7. «Аромат» (тип) каких частиц меняется при слабом взаимодействии?
8. При соблюдении, какого правила меняется «цвет» кварков?
9. Какого «цвета» будет сумма цветов кварка и антикварка?
10. Почему лептоны не имеют «цвет»?
11. Как называют иначе квантовую теорию цвета?
12. Почему наблюдается сохранение «белого цвета» во всех адронах?
13. Почему существуют в природе свободные лептоны, а свободные кварки нет?
14. Что означает то, что кварки ведут себя как кусок резины?
15. Почему глюоны называют суперклеем?
16. Кто и когда опубликовал первую теорию «Великого объединения» (ТВО)?
17. Почему существуют несколько теории «Великое объединение»?
18. Что позволяет ученым супперсимметрия?
19. Каким образом, соблюдают ученых калибровочную симметрию?
20. Для создания ТВО, сколько необходимо компенсирующих полей?
21. Какие частицы назвали Х- частицами?
22. Какими электрическими зарядами обладают Х – частицы?
23. По какой схеме, происходит распад протона, согласно ТВО?
24. Сколько лет живет протон, согласно ТВО?
25. Примерно чему равна масса Х – частиц, согласно ТВО?
26. Какое расстояние проходят Х – частицы, за время своего существования?
27. Во сколько раз меньше размер кварка масштаба пространства, где господствует ТВО?
28. Что внутри протона представляет ТВО?
29. На каком расстоянии, которое называют масштабом объединения, сильное, электромагнитное и слабое взаимодействия становятся сравнимыми?
30. При каких энергиях протон распадается?
……******……