Теория электрослабого взаимодействия

В 70-е гг. XX в. в естествознании произошло выдающееся событие: два фундаментальных взаимодействия из четырех физики объедини­ли в одно. Картина фундаментальных взаимодействий несколько уп­ростилась. Электромагнитное и слабое взаимодействия, казалось бы, весьма разные по своей природе, предстали как разновидности еди­ного электрослабого взаимодействия. Теория электрослабого взаи­модействия в окончательнбй форме была создана двумя независимо работавшими физиками — С. Вайнбергом и А. Саламом. Теория электрослабого взаимодействия решающим образом повлияла на дальнейшее развитие физики элементарных частиц в конце XX в.

Главная идея в построении этой теории состояла в описании слабого взаимодействия на языке концепции калибровочного поля, в соответствии с которой ключом к пониманию природы взаимодействий служит симметрия. Одна из фундаментальных идей в физике второй половины XX в. — это убеждение, что все взаимодействия существуют лишь для того, чтобы поддерживать в природе некий набор абстрактных симметрий. Какое отношение имеет симметрия к фундаментальным взаимодействиям? Ведь, на первый взгляд, ут­верждение о существовании подобной взаимосвязи кажется весьма парадоксальным.

Прежде всего о том, что понимается под симметрией. Принято считать, что предмет симметричен, если он остается неизменным после той или иной операции по его преобразованию. Так, сфера симметрична, потому что выглядит одинаково при повороте на любой угол относительно ее центра. Законы электричества симмет­ричны относительно замены положительных зарядов отрицательны­ми и наоборот. Таким образом, под симметрией понимается инвари­антность системы относительно некой операции.

Существуют разные типы симметрии: геометрические, зеркаль­ные, негеометрические. Среди негеометрических есть так называе­мые калибровочные симметрии. Калибровочные симметрии носят абстрактный характер и органами чувств непосредственно не фикси­руются. Они связаны с изменением отсчета уровня, масштаба или зна­чения некоторой физической величины. Система обладает калибровоч­ной симметрией, если ее природа остается неизменной при такого рода преобразовании. Так, например, в физике работа зависит от разности высот, а не от абсолютной высоты; напряжение — от разности потен­циалов, а не от их абсолютных величин и др. Симметрии, на которых основан пересмотр понимания фундаментальных взаимодействий, именно такого рода.

Калибровочные преобразования симметрии могут быть глобаль­ными и локальными. Глобальные преобразования изменяют систему в целом, во всем ее пространственно-временном объеме; в физике это выражается в том, что во всех точках пространства-времени значе­ния волновой функции подвергаются одному и тому же изменению. Локальными калибровочными преобразованиями называются пре­образования, которые изменяются от точки к точке; иначе говоря, волновая функция в каждой точке характеризуется своей особой фазой, которой соответствует определенная частица.

Глобальное калибровочное преобразование теоретически можно превратить в локальное калибровочное преобразование. Для их связи и поддержания симметрии в каждой точке пространства необ­ходимы новые силовые поля — калибровочные. В природе существует ряд локальных калибровочных симметрий, и необходимо соответст­вующее число калибровочных полей для их компенсации. Так, сило­вые поля можно рассматривать как средство, с помощью которого в природе создаются присущие ей локальные калибровочные симметрии. Значение концепции калибровочной симметрии заключается в том, что благо­даря ей теоретически моделируются все четыре фундаментальных взаимодействия, встречающиеся в природе. Все их можно рассматри­вать как калибровочные поля.

Простейшей калибровочной симметрией обладает электромагне­тизм. Иначе говоря, электромагнитное поле не просто определен­ный тип силового поля, существующего в природе, а проявление простейшей (совместимой с принципами специальной теории отно­сительности) калибровочной симметрии, в которой калибровочные преобразования соответствуют изменениям потенциала от точки к точке. Учение об электромагнетизме складывалось столетия на осно­ве кропотливых эмпирических исследований, но оказывается, что результаты этих исследований можно вывести чисто теоретически, основываясь на знании лишь двух симметрий — простейшей локаль­ной калибровочной симметрии и так называемой симметрии Лорен­ца — Пуанкаре специальной теории относительности. Основываясь только на существовании этих двух симметрий, не проведя ни едино­го эксперимента по электричеству и магнетизму, можно построить уравнения Максвелла, вывести все законы электромагнетизма, дока­зать существование радиоволн, возможность создания динамо-маши­ны и т.д. А применение идей локальной калибровочной инвариант­ности к преобразованиям Лоренца автоматически приводит к построению теории гравитации, сходной с ОТО.

Для представления поля слабого взаимодействия как калибровочного прежде всего необходимо установить точную форму соответствующей калибровочной симметрии. Дело в том, что симметрия слабого взаимодействия гораздо сложнее, чем электромагнитного. Ведь и сам механизм слабого взаимодействия оказывается более сложным. Во-первых, при распаде нейтрона, например, в слабом взаимодействии участвуют частицы по крайней мере четырех различных типов (нейтрон, протон, электрон и нейтрино). Во-вторых, действие слабых сил приводит к изменению их природы (превращению одних частиц в другие за счет слабого взаимодействия). Напротив, электромагнитное взаимодействие не изменяет природы участвующих в нем частиц.

Выяснилось, что для поддержания симметрии в описании слабого взаимодействия необходимы три новых силовых поля, в отличие от единственного электромагнитного поля. Было получено и квантовое описание этих трех полей: должны существовать три новых типа частиц — переносчиков взаимодействия, по одному для каждого поля. Все вместе они называются тяжелыми векторными бозонами со спи­ном 1 и являются переносчиками слабого взаимодействия. Частицы W⁺ и W^- являются переносчиками двух из трех связанных со слабым взаимодействием полей. Третье поле соответствует электрически нейтральной частице-переносчику, получившей название Zº-части­цы. Существование Zº-частицы означает, что слабое взаимодействие может не сопровождаться переносом электрического заряда.

В создании теории электрослабого взаимодействия ключевую роль сыграло понятие спонтанного нарушения симметрии: не всякое решение задачи обязано обладать всеми свойствами его исходного уровня. Так, частицы, совершенно разные при низких энергиях, при высоких энергиях могут оказаться на самом деле одной и той же частицей, но находящейся в разных состояниях. Таким образом, идеей спонтанного нарушения симметрии Вайнберг и Салам соеди­нили электромагнетизм и слабое взаимодействие в единой теории калибровочного поля.

В теории Вайнберга — Салама представлено всего четыре поля: электромагнитное и три поля, соответствующие слабым взаимодей­ствиям. Кроме того, было введено постоянное на всем пространстве скалярное поле (так называемое поле Хиггcа), с которым частицы взаимодействуют по-разному, что и определяет различие их масс *. Первоначально W- и Z-кванты не имеют массы, но из-за нарушения симметрии некоторые частицы Хиггеа сливаются cW-и Z-частицами, наделяя их массой. В этой теории фотоны и тяжелые векторные бозоны (W^± и Z°) имеют общее происхождение и тесно связаны друг с другом.

* Кванты скалярного поля представляют собой новые массивные элементар­ные частицы с нулевым спином. Их называют хиггсовскими (по имени физика П. Хиггcа, предположившего их существование). Число таких хиггсовских бозонов может достигать нескольких десятков.

На опыте такие бозоны пока не обнаружены. Более того, ряд физиков счита­ют их существование необязательным, но совершенной теоретической модели без хиггсовских бозонов пока не найдено.

Почему же электромагнитное и слабое взаимодействия обладают столь непохожими свойствами? Теория Вайнберга — Салама объясня­ет эти различия нарушением симметрии. Если бы симметрия не нару­шалась, то оба взаимодействия были бы сравнимы по величине. На­рушение симметрии влечет за собой резкое уменьшение слабого взаимодействия, поскольку оно непосредственно связано с массами W и Z-частиц. Можно сказать, что слабое взаимодействие столь мало потому, что W- и Z-частицы очень массивны. Лептоны редко сближа­ются на столь малые расстояния (r ~ 10^-18 м), на которых становится возможным обмен тяжелыми векторными бозонами.

Но при больших энергиях (более 100 ГэВ), когда частицы W и Z могут свободно рождаться, обмен W- и Z-бозонами осуществляется столь же легко, как и обмен фотонами (безмассовыми частицами), разница между фонтанами и бозонами стирается. В этих условиях должна существовать полная симметрия между электромагнитным и слабым взаимодействием — электрослабое взаимодействие.

Наиболее убедительная экспериментальная проверка новой тео­рии заключалась в подтверждении существования гипотетических W и Z-частиц. Их открытие в 1983 г. стало возможным только с создани­ем очень мощных ускорителей новейшего типа и означало торжество теории Вайнберга — Салама. Было окончательно доказано, что электромагнитное и слабое взаимодействия в действительности были просто двумя компонентами единого электрослабого взаимо­действия. В 1979 г. Вайнбергу С., Саламу А., Глэшоу С. была присуж­дена Нобелевская премия за создание теории электрослабого взаимо­действия.

Квантовая хромодинамика

Следующий шаг на пути познания фундаментальных взаимодейст­вий — создание теории сильного взаимодействия. Для этого необхо­димо придать черты калибровочного поля сильному взаимодействию. Сильное взаимодействие можно представлять как результат об­мена глюонами, который обеспечивает связь кварков (попарно или тройками) в адроны (см. 10.3.2).

Замысел здесь состоит в следующем. Каждый кварк обладает ана­логом электрического заряда, служащим источником глюонного поля. Его назвали цветом *.

* Как и в случае с термином «кварк», термин «цвет» здесь выбран произвольно и никакого отношения к обычному цвету не имеет.

Если электромагнитное поле порождается зарядом только одного сорта, то более сложное глюонное поле создается тремя различными цветовыми зарядами. Каждый кварк «окрашен» в один из трех возможных цветов, которые (совершенно произвольно) назвали крас­ным, зеленым и синим. И соответственно, антикварки бывают анти­красные, антизеленые и антисиние.

На следующем этапе теория сильного взаимодействия развива­лась по той же схеме, что и теория слабого взаимодействия. Требова­ние локальной калибровочной симметрии (т.е. инвариантности относительно изменений цвета в каждой точке пространства) приво­дит к необходимости введения компенсирующих силовых полей. Всего требуется восемь новых компенсирующих силовых полей. Час­тицами — переносчиками этих полей являются глюоны, и, таким образом, из теории следует, что должно быть целых восемь различ­ных типов глюонов. Как и фотон, глюоны имеют нулевую массу покоя и спин 1. Глюоны также имеют различные цвета, но не чистые, а смешанные (например, сине-антизеленый), т.е. глюоны состоят из «цвета» и «антицвета». Поэтому испускание или поглощение глюона сопровождается изменением цвета кварка, («игра цветов»). Так, на­пример, красный кварк, теряя красно-антисиний глюон, превращает­ся в синий кварк, а зеленый кварк, поглощая сине-антизеленый глюон, превращается в синий кварк. В протоне, например, три квар­ка постоянно обмениваются глюонами, изменяя свой цвет. Однако такие изменения носят не произвольный характер, а подчиняются жесткому правилу: в любой момент времени «суммарный» цвет трех кварков должен представлять собой белый свет, т.е. сумму «крас­ный + зеленый + синий». Это распространяется и на мезоны, состоящие из пары кварк — антикварк. Поскольку антикварк характеризует­ся антицветом, такая комбинация заведомо бесцветна («белая»), на­пример красный кварк в комбинации с антикрасным кварком образу­ет бесцветный мезон.

С точки зрения квантовой хромодинамики (квантовой теории цвета) сильное взаимодействие есть не что иное, как стремление поддерживать определенную абстрактную симметрию природы: со­хранение белого цвета всех адронов при изменении цвета их состав­ных частей *. Квантовая хромодинамика великолепно объясняет пра­вила, которым подчиняются все комбинации кварков, взаимодейст­вие глюонов между собой (глюон может распадаться на два глюона или два глюона слиться в один — поэтому и появляются нелинейные члены в уравнении глюонного поля), взаимодействие кварков и глюонов (кварки покрыты облаками глюонов и кварк-антикварковых пар), сложную структуру адрона, состоящего из «одетых» в облака кварков, и др.

* Лептоны, фотоны и промежуточные бозоны (W- и Z-частицы) не несут света, а поэтому не участвуют в сильном взаимодействии.

Возможно, пока преждевременно оценивать квантовую хромодинамику как окончательную и завершенную теорию сильного взаимо­действия, но экспериментальный статус ее достаточно прочен и до­стижения многообещающи.