Основы слабого взаимодействия

Полное описание слабого взаимодействия потребовало бы знакомства с двумя большими группами персонажей – со сбивающей с толку толпой частиц и с длинным почетным списком исследователей, а также привело бы к обсуждению подробностей, не имеющих прямого отношения к нашим главным темам. Здесь я ограничусь кратким, упрощенным описанием двух самых ярких фактов, выбранных благодаря их фундаментальному значению и с прицелом для дальнейшего использования. Наши знания подытожены на цветных вклейках RR, SS, TT и UU, которые обеспечивают основу для постижения окончательного объединения. Возможно, вам захочется обращаться к этим изображениям по мере того, как мы будем продвигаться вперед, чтобы не запутаться.

Превращения кварков. Поскольку протоны и нейтроны, как мы уже обсудили, являются сложными соединениями более фундаментальных кварков и глюонов, мы должны найти и более фундаментальную причину превращений протон ↔ нейтрон. Глубинной структурой, лежащей в основе этих превращений, является следующий кварковый процесс:

Так как основой нейтронов являются тройки кварков udd , в то время как основой протонов – тройки uud, то превращение кварка d → u позволяет превратить нейтрон в протон. Такое превращение сопровождается испусканием электрона e и антинейтрино ν ̅. Таким образом, взаимодействие между кварками, лежащее в основе процесса, на уровне адронов реализуется как

Этот медленный распад является судьбой изолированных нейтронов. (Их среднее время жизни – 15 минут, а стабильны нейтроны только тогда, когда связаны в ядрах.)

Основные правила квантовой механики говорят нам, что мы также получим допустимые процессы, если заменим какую-нибудь частицу ее античастицей и перенесем ее в противоположную сторону реакции либо если мы обратим направление стрелки в реакции. Применяя эти правила к нашему процессу d + u → e + ν ̅, мы находим такие возможные процессы, как

и множество других. Они дают начало целому ряду форм ядерного распада (радиоактивности), дестабилизируют другие адроны и обуславливают многие превращения в космологии и астрофизике, включая синтез всех химических элементов из первоначальной смеси протонов и нейтронов. В качестве примера возможных реакций: первый из этих процессов, d + u ̅ → e + ν ̅, приводит непосредственно к распаду π̅-мезона (в основе которого как раз лежит кварк-антикварковая пара du ̅) на электрон и антинейтрино.

Спиральность и нарушение четности. Очень глубокий аспект слабого взаимодействия, названный нарушением четности, был теоретически обнаружен Ли и Янгом в 1956 г. Чтобы описать его, мы должны ввести понятие спиральности [74]частицы. Оно применяется к частицам, которые одновременно движутся и вращаются.

Если объект вращается вокруг некоторой оси, мы можем присвоить этой оси направление следующим образом: представьте себе наш вращающийся объект как фигуристку на коньках. Если при вращении ее правая рука движется вперед, в сторону живота, мы выбираем направление от ее ног к голове; если же вращение приближает ее правую руку к спине, мы выбираем направление от головы к ногам.

У частиц, которые нам интересны, есть небольшое собственное вращение, известное как спин . Они всегда вращаются, как неустанные фигуристки на льду. Мы можем применить к ним ту же логику и получить направление, связанное с вращением. Если наша частица движется в том же направлении, мы говорим, что частица правая. Если она движется в противоположном направлении, мы говорим, что она левая. Другими словами, спиральность частицы задает направление ее вращения относительно ее скорости.

Ли и Янг предположили, что левые кварки, электроны и нейтрино (а также мюоны и τ -лептоны) участвуют в слабом взаимодействии, так же как и правые антикварки, антиэлектроны (позитроны) и антинейтрино (а также антимюоны и анти-τ -лептоны), а вот частицы с противоположной спиральностью этого не делают. Эксперименты подтвердили их предположение.

Еще один цветной анаморф: от «??» к «!»

Преобразовательный аспект слабого взаимодействия и еще несколько более специальных аспектов подали Шелдону Глэшоу, а также Абдусу Саламу и Джону Уорду идею о том, что, возможно, это взаимодействие тоже можно было бы описать в виде воплощения локальной симметрии.

Мы можем понять, как это могло бы сработать, используя идеи и образы, которые мы уже развили. Мы хотим, чтобы наш основной слабый процесс (давайте для определенности возьмем процесс вида u + e → d + ν ) происходил за счет движений в пространстве свойств. У пространства свойств должно быть (по крайней мере) два измерения, чтобы u- и d- кварки могли быть одной и той же сущностью в различных положениях, и аналогично e и ν . Затем мы сможем посмотреть на весь наш процесс, который при буквальном прочтении представляет изменение идентичности частиц – того, чем они являются, – как на изменение их положения – того, где они находятся. Это принцип «где определяет что » в действии!

Теория, основанная на локальной симметрии, идет дальше, обеспечивая нас флюидом, управляющим перемещениями в пространстве свойств. Самое элементарное действие этого флюида – это то, что происходит, когда его самые маленькие единицы, или кванты, создаются и уничтожаются. Следовательно, наш процесс на самом базовом квантовом уровне может происходить таким образом:

u -кварк испускает викон W + и превращается в d -кварк; электрон e поглощает викон W + и превращается в нейтрино ν .

Или по-другому:

электрон e испускает викон W− и превращается в нейтрино ν; u- кварк поглощает викон W− и превращается в d -кварк.

Викон W + обычно называют W+-бозоном, причем верхний индекс обозначает его электрический заряд. Викон W− , или W+ – бозон – это его античастица. Когда вы обстоятельно разберетесь с локальной симметрией, вы обнаружите, что существует третий, электрически нейтральный викон Z , или Z-бозон.

Предлагая эту локальную теорию, Глэшоу, Салам и Уорд следовали нашему иезуитскому девизу «Более достойно благословения просить прощения, чем разрешения», поскольку они намеренно проигнорировали другой аспект теории Янга – Миллса. Локальная симметрия теории Янга – Миллса требует, чтобы W +, W− и Z имели нулевую массу. Аналогичные предсказания нулевой массы для гравитонов, фотонов и цветных глюонов – все соответствуют действительности и представляют большой успех для локальной симметрии. Но в теории слабого взаимодействия это предсказание не работает. Если бы у виконов была нулевая масса, их можно было бы легко наблюдать в столкновениях на ускорителях или даже в химических реакциях, так же как фотоны. В сущности, слабое взаимодействие не было бы слабым!

Короче говоря, в случае слабого взаимодействия локальная симметрия кажется слишком хорошей, чтобы быть правдой.

Чтобы согласовать Идеальное с Реальным, мы должны ввести еще одну идею – и она красива! Новая идея – это спонтанное нарушение симметрии, которое в данном контексте предложили Роберт Браут и Франсуа Энглер и независимо Питер Хиггс (а также Джеральд Гуральник, Карл Хаген и Том Киббл). Именно оно позволяет нам одновременно и съесть пирожок, и сохранить его. Если говорить точнее, мы можем сохранить уравнения локальной симметрии с их прекрасным принципом «где определяет что » для слабого взаимодействия, позволяя бозонам иметь ненулевую массу, согласующуюся с наблюдениями. Мы продолжим рассмотрение их смелой и сильной идеи более подробно после обязательной исторической зарисовки, надлежащим образом завершающей наш рассказ о слабом взаимодействии как таковом.

Именно Стивен Вайнберг синтезировал эти два подхода – симметрию и нарушение симметрии, чтобы произвести полностью удовлетворительную теорию слабого взаимодействия, которая представлена в современной Главной теории. Но сначала было совершенно неочевидно, что эта теория даст правильные или хотя бы конечные ответы, если принять во внимание квантовые флуктуации. Герард 'т Хоофт и Мартинус Велтман продемонстрировали, что она дает их, и при этом ввели в оборот методы вычислений, которые сделали теорию точнее и полезнее. Фриман Дайсон ранее сослужил подобную службу КЭД, для которой сделать это было намного легче (но все равно трудно).