 |
 |
 |
 |
|
 |
 |
161
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.
10.3.4. 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