Квантовая хромодинамика

Следующий шаг на пути к познанию фундаментальных взаимодействий - создание теории сильного взаимодействия. Для этого необходимо предоставить сильном взаимодействии рис калибровочного поля. Сильное взаимодействие можно представить как результат обмена глюонамй, который обеспечивает связывание кварков (попарно или тройками) в адроны.

Замысел здесь такой. Каждый кварк имеет аналог электрического заряда, который является источником глюонного поля. Его назвали цветом. (Как в случае с термином "кварк", термин "цвет" здесь выбрано произвольно и никакого отношения к обычному цвета он не имеет).

Если электромагнитное поле порождается зарядом только одного сорта, то более сложное глюонной поле создается с участием трех различных цветовых зарядов. Каждый кварк "окрашен" в один из трех возможных цветов, которые (совершенно произвольно) назвали красным, зеленым и синим. И, соответственно, антикварки бывают античервони, антизеленая и антисини.

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 силовых компенсирующих полей ,. Всего нужно восемь новых силовых компенсирующих полей. Частицами - носителями этих полей есть глюоны, и, таким образом, по 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-антизеленая), т.е. глюоны состоят из "цвета" и "антикольору". Поэтому излучения или поглощения глюонов сопровождается изменением цвета кварка ("игра цветов"). Так, например, красный кварк, теряя красно-антисиний глюон, превращается в синий кварк, а зеленый кварк, поглощая сине-антизеленая глюон, превращается в синий кварк. В протоне, например, три кварки постоянно обмениваются глюонами, изменяя свой цвет. Однако такие изменения имеют не случайный характер, а подчиняются твердом правилу: в любой момент времени "суммарный" цвет трех кварков должен представлять собой белый свет, то есть сумму "красный + зеленый + синий". Это правило распространяется и на мезоны, состоящие из пары кварк - антикварк. Поскольку антикварк характеризуется антикольором, такая комбинация заведомо бесцветная ("белая"), например красный кварк в комбинации с античсрвоним 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 прекрасно объясняет правила, которым подчиняются все комбинации кварков, взаимодействие глюонов "между собой (глюон может распадаться на два глюоны или два глюоны слиться в один - поэтому и появляются нелинейные члены в уравнении глюонного поля), взаимодействие кварков и глюонов (кварки покрытые облаками глюонов и кварк-антикварковых пар), сложная структура адронов, который состоит из "одетых" в облака кварков и др.

Возможно, пока преждевременно оценивать квантовой хромодинамики как окончательную и завершенную теорию сильного взаимодействия, но экспериментальный статус ее достаточно прочный и достижения являются многообещающими.

На пути к большому объединения

С созданием квантовой хромодинамики появилась надежда на построение единой теории всех (или хотя 6 трех из четырех) фундаментальных взаимодействий. Модели, которые сочетают в единое целое хотя бы три из четырех фундаментальных взаимодействий, называются моделями Великого объединения. Теоретические схемы, которые объединяют все известные типы взаимодействий (сильное, слабое электромагнитное и гравитационное) называются моделями супергравитации.

Опыт успешного объединения слабого и электромагнитного взаимодействий на основе идеи калибровочных полей указал возможные пути для дальнейшего развития принципа единства физики, объединения фундаментальных физических взаимодействий. Один из них базируется на том странном факте, что константы взаимодействия электромагнитной, слабой и сильной взаимодействий становятся равными по одной и той же энергии. Эту энергию назвали энергией объединения. Когда значение энергии превышают м ГэВ или расстояния составляют м, сильные и слабые взаимодействия можно описать с помощью единой константы, то есть они имеют общую природу. Кварки и лептоны здесь практически не заметны.,

В 70-90-е pp. было разработано несколько конкурирующих между собой теорий Великого объединения. Все они базируются на одной и той же идеи. Если электрослабое и сильная взаимодействия действительно представляют собой лишь две стороны Большой единого взаимодействия, то последний также должно соответствовать калибровочное поле с некоторой сложной симметрией. Она должна быть достаточно общей, способной охватить все калибровочные симметрии, которые существуют и в квантовой хромодинамике, и в теории электрослабого взаимодействия. Открытие такой симметрии - главная задача на пути к созданию единой теории сильного и электрослабого взаимодействия. Существуют различные подходы, порождает конкурирующие варианты теории Великого объединения.

Однако все эти гипотетические варианты Великого объединения имеют ряд общих особенностей. Во-первых, во всех гипотезах кварки и лептоны - носители сильного и электрослабого взаимодействий - являются составными единой теоретической схемы. До сих пор они рассматривались как совершенно разные объекты. Во-вторых, привлечение абстрактных калибровочных симметрий приводит к открытию новых типов полей, которые имеют новые свойства, например способность превращать кварки в лептоны.

В простейшем варианте теории Великого объединения для превращения кварков в лептоны нужно двадцати четырех поля. Двенадцать из квантов этих полей уже известны: фотон, две W-частицы, Z-частица и восемь глюонов. Остальные двенадцать квантов - новые сверхтяжелые промежуточные бозоны, объединенные общим названием X- и К-частицы (имеют цвет и электрический заряд). Эти кванты соответствуют полям, которые поддерживают более широкую калибровочную симметрию и перемешивают кварки с лептонами. Итак, X- и Y-частицы могут превращать кварки в лептоны (и наоборот).

На основе теорий Великого объединения удалось предусмотреть по крайней мере две важные закономерности, которые можно проверить экспериментально: нестабильность протона и существование магнитных монополей. Экспериментальное обнаружение распада протона и магнитных монополей могло бы стать веским доводом в пользу теорий Великого объединения. На проверку этих предсказаний направлены усилия экспериментаторов. Открытие распада протона было бы найфандиознишим экспериментом XXI ст.и Но пока твердо обоснованных экспериментальных данных по этой проблеме нет.

А о прямом экспериментальном обнаружении X- и Y-бозонов пока вообще не идет. Дело в том, что теории Великого объединения имеют дело с энергией частиц более м ГэВ. Это луже высокая энергия. Трудно сказать, когда удастся получить частицы столь высоких энергий в ускорителях. Современные ускорители едва достигают энергии 100 ГэВ. И поэтому основной областью применения и проверки теорий Великого объединения является космология. Без этих теорий невозможно описать раннюю стадию эволюции Вселенной, когда температура первичной плазмы достигала К. Именно при таких условиях могли рождаться и аннигилировать над тяжелые бозоны X и Y.

Но объединение трех из четырех фундаментальных взаимодействий - это не единственная теория в настоящем смысле слова. Ведь остается еще гравитация. Теоретические модели, в которых сочетаются все четыре взаимодействия, называются супергравитацией.

Супергравитацией базируется на идее суперсимметрии, то есть такого перехода от глобально! калибровочной симметрии к локальной, который бы позволил переходить от фер-МИОНА (носителей субстрата материи) к бозонов (носителей структуры материи, переносчиков взаимодействий) и наоборот. Одна из теоретических моделей сводит воедино 70 частиц со спином 0; 56 частиц со спином 1/2; 28 частиц со спином 1; 8 частиц со спином 3/2 (их назвали гравитино) и 1 частицу со спином 2 (гравитон). Все эти частицы были объединены единой суперсилой при колоссальном значении энергии ГэВ (T = К, м). В теориях суперсимметрии возникла также идея введения новых дополнительных измерений (10,11 или даже 26) пространства, которые позволят описать все проявления свойств вещества и переносчиков взаимодействий. Только три из них оказываются в нашем мире, а другие остались скрученными, замкнутыми в масштабе м. Вместе с тем на пути объединения гравитации с другими фундаментальными взаимодействиями пока еще остается много проблем.

Таким образом, последовательное объединение фундаментальных взаимодействий началось с синтеза электричества и магнетизма в рамках теории Максвелла в XIX в. Объединение слабого и электромагнитного взаимодействий получило надежное подтверждение в 1983 г.. Благодаря открытию X- и Y-частиц. Данных, подтверждающих 6 Великое объединение, пока нет, но их ждут. Обеспеченность теоретическими предпосылками для создания единой теории всех фундаментальных взаимодействий быстро растет. Возможно, что уже в начале XXI в. это грандиозное задача всей истории познания материи будет решено В определенном смысле это означает конец физической науки как науки о фундаментальных основах материи.

Но не следует отвергать и другие варианты развития физики в XXI в. - Открытие новых фундаментальных взаимодействий, новых субкваркових частиц, появление иных трактовок единства материи и др. Особенно важными на этом пути есть те необычные представления, в наше время появляются там, где взаимодействуют микромир с мегамире, ультрамалых с ультравеликим, физика с астрономией и космологией.

 
< Пред   СОДЕРЖАНИЕ   След >