Объединение 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. n → p + e- + e
на кварковом уровне выглядит как бы проходящим в два этапа (рис.1). На первом этапе происходит превращение d-кварка в u-кварк и W−-бозон d → u + W− на втором W−-бозон распадается, превращаясь в электрон и антинейтрино W− → e- + e. По аналогии с сильным взаимодействием члены одного семейства, порождаемые W− или W+-бозоном объединяются в слабые левоспиральные изоспиновые дублеты и со слабым изоспином T = 1/2, которым приписываются значения T3 = +1/2
(νe,u) и T3 = -1/2 (e,d). У антифермионов проекции слабого
изоспина имеют противоположные знаки. , , где
- угол Вайнберга. Извлеченная из экспериментов величина . p +
→ W± + X, где X - все другие частицы, образующиеся в результате столкновения протона и антипротона. Бозоны идентифицировались по распадам W± → e +(-) + e(e), Наблюдаемые в результате реакции заряженные лептоны с большими значениями
поперечных импульсов служили доказательством образования бозонов. Полученные
экспериментально значения масс бозонов (mэксп(W±) = (81 ± 2) ГэВ,
mэксп(Z0) = (93 ± 2) ГэВ) находились в очень хорошем
согласии со стандартной теорией. Между открытием нейтральных токов и наблюдением
векторных бозонов прошло 10 лет.
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, Lμ и Lτ. 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 d → u + W− и s → u + W− 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 -распада и распада странных частиц ввел параметр - угол Кабиббо (рис.2).
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 → seνe и c → sμνμ, вероятность этих
распадов пропорциональна cos2θc, и подавлены каналы где cij = cosθij, sij = sinθijэлементы
матрицы - комбинации синусов и косинусов углов поворота. Например, первый
элемент это - произведение cosθ12×cosθ13. Современные
оценки углов: θ12 = ~130, θ23 = ~20,
θ13
= ~0.10. Так как cosθ13 отличается от единицы только в
шестом знаке после запятой, результаты, полученные в четырехкварковой схеме,
сохраняются. d → u + e- +e. Слабые взаимодействия приводят к распаду μ и τ-лептонов. Так мюон распадается, превращаясь в электрон и нейтрино и антинейтрино μ- → νμ + e- +e. 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. Наблюдаемые на опыте константы взаимодействий сильно различаются при энергии ~ 1 ГэВ и зависят от расстояния. Предполагается, что на расстоянии ~ 10-28 см константы становятся одинаковыми.Согласно простейшей модели Великого объединения, сильное и электрослабое взаимодействия объединяются при энергии ~1015 ГэВ. В лабораторных условиях вряд ли достижимы такие энергии. Однако есть явление, которое следует из такой объединенной теории. В этой модели протон должен быть нестабильной частицей, правда, с большим временем жизни. Если сильное и электрослабое взаимодействия являются разными проявлениями более общего взаимодействия, то кварки и лептоны должны быть компонентами одного и того же мультиплета. Следовательно, возможны процессы, в которых кварки могут превращаться в лептоны. Это значит, что протон, состоящий из кварков, не может быть абсолютно стабильным, а может распадаться, превращаясь в более легкие частицы. Например, возможны распады p → π0 + e+, По оценкам в рамках единой теории сильных и электрослабых
взаимодействий время жизни протона ~1032 лет. В настоящее время
ведутся интенсивные эксперименты по поиску нестабильности протона. |b> = |f>. Сопряженные операторы превращают фермионы в бозоны. Оператор
оставляет неизменными все квантовые числа частицы, за исключением спина. На
поиск суперсимметричных партнеров направлен целый ряд экспериментов на
действующих и строящихся коллайдерах. mp ≈ (ћc/G)1/2 ≈1.2·1019 ГэВ/c2. Характерные размеры, соответствующие массе Планка ~10-33 см.
|