Новая сила

Оглядываясь на 70‑е годы, историки будут рассматривать их как время, когда ученые обнаружили, что в природе вовсе не существует никаких четырех фундаментальных взаимодействий. Электромагнитное и слабое взаимодействия, при поверхностном взгляде весьма разные по своей природе, в действительности оказались двумя разновидностями единого – так называемого электрослабого – взаимодействия, о существовании которого никто и не подозревал.

Объединение этих двух сил стало исторической вехой на пути к суперсиле. Первый шаг сделал более ста лет назад Максвелл, объединив электричество и магнетизм. Электрослабая теория в окончательной форме была создана двумя физиками, работавшими независимо, – Стивеном Вайнбергом из Гарвардского университета и Абдусом Саламом из Империал‑колледжа в Лондоне, – опиравшимися на более раннюю работу Шелдона Глэшоу. Теория электрослабого взаимодействия решающим образом повлияла на развитие физики элементарных частиц в последующие годы.

Суть теории Вайнберга и Салама состоит в описании слабого взаимодействия на языке концепции калибровочного поля. Этот шаг следовало предпринять еще до того, как появилась хоть какая‑то надежда на унификацию. В предыдущей главе мы говорили, что понятие калибровочной симметрии является ключевым при построении теории взаимодействий, освобожденной от проблемы расходящихся членов.

Представляя слабое взаимодействие в виде калибровочного поля, мы должны исходить из того, что все частицы, участвующие в слабом взаимодействии, служат источниками поля нового типа – поля слабых сил, хотя мы не воспринимаем это поле непосредственно. Слабо взаимодействующие частицы, такие, как электроны и нейтрино, являются носителями “слабого заряда”, который аналогичен электрическому заряду и связывает эти частицы со слабым полем.

Если поле слабого взаимодействия рассматривать как калибровочное (т.е. как способ, которым в природе компенсируются локальные калибровочные преобразования), то первый шаг состоит в установлении точной формы соответствующей калибровочной симметрии. Как мы уже знаем, простейшей калибровочной симметрией обладает электромагнетизм. Не удивительно, что симметрия слабого взаимодействия гораздо сложнее чем электромагнитного, ибо сам механизм этого взаимодействия оказывается более сложным. При распаде нейтрона, например, в слабом взаимодействии участвуют частицы по крайней мере четырех различных типов (нейтрон, протон, электрон и нейтрино), и 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.

Это свидетельствует о том, что слабому взаимодействию соответствует более сложная калибровочная симметрия, связанная с изменением природы частиц. С калибровочной симметрией такого типа мы встречались в конце гл. 4. Она называлась симметрией изотопического спина, или изотопической симметрией. Первоначально изотопическая симметрия была разработана для описания сильного ядерного взаимодействия между протонами и нейтронами. Напомним, что калибровочное преобразование в этом случае соответствовало повороту некой волшебной ручки, превращающему протоны в нейтроны. Основная идея состояла в том, что ядерные силы инвариантны относительно таких воображаемых преобразований. Вайнберг и Салам, заимствовав идею изотопической симметрии из области ядерной физики, приспособили ее к совершенно другой области – слабому взаимодействию, дав его описание как калибровочного поля. По существу было использовано то же понятие симметрии, связанной со смешиванием различных частиц, но в данном случае речь шла о смешивании различных источников слабого взаимодействия, электронов и нейтрино. Представим себе теперь, что у нас есть волшебная ручка, позволяющая превращать электроны в нейтрино и наоборот. По мере поворота ручки сродство с электроном у всех электронов постепенно убывает до тех пор, пока электроны не превращаются в нейтрино. Одновременно сродство с нейтрино у всех нейтрино также убывает, и все они превращаются в электроны. Разумеется, в действительности ничего подобного не происходит, но теоретики, исследуя уравнения, описывающие частицы и взаимодействия, могут изучать следствия подобных воображаемых превращений.

Только что описанная картина служит примером глобального калибровочного преобразования. Оно глобально, так как “поворот ручки” изменяет природу каждого электрона и каждого нейтрино во всей Вселенной. В предыдущей главе мы видели, как переход от глобальной калибровочной симметрии к локальной приводит к возникновению силовых полей, необходимых для компенсации изменяющихся от точки к точке калибровочных преобразований. Меняя калибровку местоположения в каждой точке, мы пришли к необходимости ввести понятие гравитационного ноля. Глобальное калибровочное преобразование, производимое волшебной ручкой, также можно превратить в локальное калибровочное преобразование. Вообразим, что в каждой точке пространства имеется своя волшебная ручка и что все ручки установлены в различных положениях. В таком случае для поддержания симметрии необходимы новые силовые поля, компенсирующие хаотическую установку ручек от точки к точке. Оказывается, что эти новые силовые поля точно описывают слабое взаимодействие. Соответствующая калибровочная симметрия гораздо сложнее, чем в случае электромагнитного взаимодействия; это усложнение выражается в том, что для поддержания симметрии необходимы три новых силовых поля, в отличие от единственного электромагнитного поля. Нетрудно получить и квантовое описание этих трех полей: должны существовать три новых типа частиц–переносчиков взаимодействия, по одному для каждого поля.

Насколько точно эти поля описывают слабое взаимодействие? Они призваны компенсировать изменение от точки к точке степени смешивания электронов и нейтрино. (Теория Вайнберга–Салама применима также к другим лептонам и кваркам.) Это означает, что при испускании или поглощении кванта поля, природа частицы тут же изменяется. Электрон может превратиться в нейтрино, нейтрино – в электрон. Именно так и происходит под действием слабых сил.

На рис. 17 показан типичный процесс, обусловленный слабым взаимодействием. Экспериментатор наблюдает его при столкновении (рассеянии) нейтрона (n) и нейтрино (нюе), когда обе частицы превращаются в протон (р) и электрон (е). При более детальном описании с использованием частиц‑переносчиков d‑кварк в нейтроне превращается в u‑кварк (тем самым нейтрон превращается в протон) с испусканием виртуальной частицы (на диаграмме показана пунктиром), которая затем поглощается нейтрино (при этом нейтрино превращается в электрон). Так как протон обладает положительным электрическим зарядом, виртуальная частица должна уносить отрицательный заряд (по закону сохранения электрического заряда). Этот отрицательный заряд “оседает” на электроне. Отрицательно заряженный переносчик слабого взаимодействия получил название W–чacтицы. Должна существовать и положительно заряженная античастица W+, которая служила бы переносчиком слабого взаимодействия, например, от антинейтрона к антинейтрино.

Рис.17. В процессе слабого взаимодействия, происходящего при столкновении нейтрона (n) с нейтрино (нюе), они превращаются в протон (р) и электрон (е‑). Тщательный анализ показывает, что это превращение происходит в результате обмена тяжелой заряженной частицей (промежуточным векторным бозоном W‑) Обмен W– соответствует превращению нейтрона в протон, причем в момент испускания изменяется аромат одного из образующих нейтрон кварков (d ‑> и)

Частицы W+ и W– являются переносчиками двух из трех связанных со слабым взаимодействием полей, предсказанных теорией Вайнберга – Салама. Третье поле соответствует электрически нейтральной частице‑переносчику, получившей название Z‑частицы. Когда теория Вайнберга – Салама была сформулирована впервые, мысль о нейтральной частице – переносчике слабого взаимодействия была новой. Существование Z‑частицы означало бы, что слабое взаимодействие могло бы не сопровождаться переносом электрического заряда. Пример такого процесса приведен на рис. 18: электрон и нейтрино рассеиваются, обмениваясь Z‑частицей. В 1973 г. в длительном эксперименте, проведенном в ЦЕРНе, было продемонстрировано существование нейтральных переносчиков слабого взаимодействия. Этот результат поднял престиж теории Вайнберга – Салама.

Несмотря на столь счастливое согласие между теорией и экспериментом, описанию слабого взаимодействия как калибровочного поля еще предстояло преодолеть серьезное препятствие. Дело в том, что калибровочные поля по своей природе дальнодействующие, казалось, что теория неизбежно должна предсказывать нулевую массу покоя частиц‑переносчиков, как в случае фотона. В действительности же слабое взаимодействие существует лишь на очень малых расстояниях, и частицы – переносчики слабого взаимодействия имеют огромную массу. Если в теории W– и Z‑частицам просто приписать какую‑нибудь массу, то калибровочная инвариантность нарушится. Как наилучшим образом совместить несовместимое – калибровочную симметрию и частицы‑переносчики с ненулевой массой покоя?

Рис. 18. Теория Ваинберга–Салама предсказывает, что электроны могут рассеивать нейтрино, обмениваясь с ними электрически нейтральным переносчиком слабого взаимодействия – промежуточным векторным бозоном Z. Экспериментальное подтверждение такого процесса было получено в середине 70‑х годов,

Решение этой головоломки было найдено Вайнбергом и Саламом в 1967 г. В основе его лежала остроумная идея, получившая название спонтанного нарушения симметрии. Вот как оно происходит.

Представим себе гладкую поверхность в форме мексиканского сомбреро, покоящегося на горизонтальном основании (рис. 19). Поместим на верхушку “сомбреро” шарик. В такой конфигурации система обладает очевидной симметрией, а именно: она не меняет своего вида при поворотах вокруг вертикальной оси, проходящей через центр шляпы. Если рассматривать только гравитацию, то никакого выделенного горизонтального направления здесь нет (гравитация действует по вертикали); все точки на полях сомбреро равнозначны.

Рассматриваемая система симметрична, но не устойчива. Стоит шарику тронуться с места, как он скатится вниз и остановится где‑то на полях “сомбреро”. Как только это произойдет, симметрия системы нарушится. Шарик остановится в определенном месте на полях шляпы, задав тем самым выделенное горизонтальное направление от центральной оси. Устойчивость оплачена нарушением симметрии. В устойчивой конфигурации исходная вращательная симметрия сил (в нашем случае – гравитации) по‑прежнему существует, по в скрытом виде. Наблюдаемое состояние системы не отражает симметрии тех взаимодействий, которые проявляются в системе.

Ту же общую идею использовали Вайнберг и Салам, хотя симметрия на этот раз была калибровочной, а не вращательной, и спонтанное нарушение соответствовало квантовому состоянию силовых полей. Таким образом, в теории Вайнберга и Салама поля по‑прежнему обладают фундаментальной симметрией, по не могут нормально существовать в состоянии, обладающем этой симметрией, так как это состояние неустойчиво. Поэтому поле “выбирает” устойчивое состояние, в котором симметрия нарушена, а частицы – переносчики слабого взаимодействия обладают массой. Естественно, в деталях теория гораздо сложнее примера с “мексиканским сомбреро”, но основная идея все та же: симметрия по‑прежнему присуща фундаментальным законам, но не проявляется в реальном состоянии системы. Именно поэтому физикам не удавалось обнаружить эту крайне важную калибровочную симметрию в течение тридцати пяти лет исследований слабого взаимодействия.

Чтобы получить решающее спонтанное нарушение симметрии, Вайнберг и Салам ввели в теорию дополнительное поле – так называемое поле Хиггса (в честь Питера Хиггса из Эдинбургского университета, который ранее изучал спонтанное нарушение симметрии в физике элементарных частиц). Никто никогда не видел поля Хиггса, но его наличие может оказывать решающее влияние на поведение калибровочных полей. В примере с сомбреро симметричное состояние – с шариком на самой верхушке шляпы – неустойчиво. Шарик “предпочитает” скатиться на поля, так как у состояния с нарушенной симметрией более низкая энергия. Аналогичным образом свойства поля Хиггса таковы, что состоянию с наименьшей энергией соответствует нарушение симметрии. Именно благодаря связи между полем Хиггса и калибровочными полями у W– и Z‑частиц возникает масса. Теория Вайнберга – Салама предсказывает также существование частицы Хиггса – кванта поля Хиггса, или бозона Хиггса – с нулевым спином и большой массой.

Рис.19. Спонтанное нарушение симметрии. Шарик помещен на вершину поверхности, имеющей форму мексиканского сомбреро. Такая система обладает полной вращательной симметрией, но она неустойчива, и шарик самопроизвольно скатывается на поля “сомбреро”, останавливаясь в произвольной точке. Вращательная симметрия при этом нарушается. Система обретает устойчивость ценой потери симметрии.

Воспользовавшись идеей спонтанного нарушения симметрии, Вайнберг и Садам сделали следующий важный шаг, соединив электромагнетизм и слабое взаимодействие в единой теории калибровочного поля. Чтобы единая теория включала поля обоих типов, необходимо было начать с более сложной калибровочной симметрии, которая сочетает в себе и более простую калибровочную симметрию электромагнитного взаимодействия и изотопическую симметрию слабого взаимодействия. Таким образом, в теории Вайнберга – Салама представлено всего четыре поля; электромагнитное поле и три поля, соответствующие слабым взаимодействиям. Следующий шаг состоял во введении поля Хиггса, которое могло бы вызвать спонтанное нарушение симметрии. Первоначально W– и Z‑кванты не имеют массы, но нарушение симметрии приводит к тому, что некоторые частицы Хиггса сливаются с W– и Z‑частицами, наделяя их массой. По образному выражению Салама, W– и Z‑частнцы “поедают” частицы Хиггса, чтобы прибавить в весе. Фотоны не участвуют в этом процессе в остаются безмассовыми.

Теория Вайнберга – Салама великолепно объясняет, почему кажется, что электромагнитное и слабое взаимодействия обладают столь непохожими свойствами. В действительности фундаментальная структура их силовых полей во многом одинакова: и электромагнитное, и слабые поля – калибровочные. Различия в их свойствах обусловлены нарушением симметрии. Мы не замечаем калибровочную симметрию слабого поля, поскольку она скрыта от нас нарушением симметрии.

Между электромагнитным и слабым взаимодействиями есть еще одно существенное различие – это их величина. Почему слабое взаимодействие имеет столь малую величину? Теория Вайнберга–Салама объясняет это. Если бы симметрия не нарушалась, то оба взаимодействия были бы сравнимы по величине. Нарушение симметрии влечет за собой резкое уменьшение слабого взаимодействия. Действительно, величина слабого взаимодействия непосредственно связана с массами W и Z‑частнц. Можно сказать, что слабое взаимодействие имеет столь малую величину потому, что W– и Z‑частицы очень массивны.

После того как Вайнберг и Салам в конце 60‑х годов опубликовали свою теорию, одна важная теоретическая проблема оставалась нерешенной. Будет ли теория Вайнберга – Салама перенормируемой? Произойдет ли чудо, позволившее КЭД избавиться от бесконечностей, с объединением электрослабых калибровочных полей? Решением этой проблемы в начале 70‑х годов занялся Герхард Хоофт из Утрехтского университета. Задача оказалась необычайно трудной. Потребовались сложные и громоздкие вычисления большого числа членов длинной последовательности, чтобы выяснить, где могут возникнуть серьезные бесконечности. В известной мере работу облегчало использование компьютера. Впоследствии Хоофт поведал о том, с какой тревогой он изучал результаты, полученные с компьютера:

Несколько простых моделей дали обнадеживающие результаты. В этих особых случаях все бесконечности взаимно уничтожались независимо от числа калибровочных частиц, участвующих в обмене, и количества петель в диаграммах Фейнмана. Решающей могла бы стать проверка теории с помощью компьютерной программы, вычислявшей бесконечные члены во всех возможных диаграммах с двумя петлями. Результаты такой проверки, были получены к июлю 1971 г.: программа выдала нескончаемую последовательность нулей. Все расходящиеся члены взаимно сократились.

Ясно, что решающее значение для исключения бесконечностей имела высокая степень симметрии, заложенная в электрослабой теории. Физики извлекли из этого хороший урок.

Теперь предстояло лишь выполнить окончательную экспериментальную проверку новой теории. Наиболее убедительная проверка заключалась в подтверждении существования пока еще "гипотетических W– и Z‑частиц.

В лабораторных условиях W– и Z‑частицы в большинстве случаев не наблюдаемы. Они остаются виртуальными частицами – переносчиками взаимодействия, которыми обмениваются другие частицы. Но если сообщить системе достаточно большую энергию, то это позволит погасить “кредит Гейзенберга”, обеспечивающий мимолетное существование W– и Z‑частиц, и они могут обрести “реальность”, т.е. разлетятся и будут существовать независимо. Так как W– и Z‑частицы очень массивны (примерно в 90 раз массивнее протона), для их высвобождения требуется огромная энергия; поэтому наблюдать рождение и идентифицировать W‑и Z‑частицы стало возможным только с созданием очень больших ускорителей новейшего типа.

Открытие в 1983 г. W– и Z‑частиц означало торжество теории Вайнберга – Салама. Не было больше нужды говорить о четырех фундаментальных взаимодействиях. Казавшиеся при поверхностном рассмотрении никак не связанными между собой электромагнитное и слабое взаимодействия в действительности были просто двумя компонентами единого электрослабого взаимодействия. За выдающиеся достижения Вайнберг и Салам были удостоены в 1979 г. Нобелевской премии по физике, разделив ее с Шелдоном Глэшоу из Гарвардского университета, который ранее заложил основы этой теории.

Вдохновленные блестящими достижениями теории электрослабого взаимодействия, физики заинтересовались возможностью дальнейшего объединения: а что если в природе существуют всего два фундаментальных взаимодействия или даже единственная суперсила? Незадолго до этого тщательному анализу подвергалось сильное взаимодействие.

Date: 2015-08-24; view: 331; Нарушение авторских прав