КОНЦЕПЦІЇ ОБ'ЄДНАНИХ ФУНДАМЕНТАЛЬНИХ ВЗАЄМОДІЙ

У п. 3.2 ми говорили про протоні, як про стійку частці, що складається з двох верхніх (і) і одного нижнього ( d ) кварків. Тепер привели образ протона у вигляді мережі віртуальних процесів. Як узгодити все це? З чого ж «зроблений» протон?

За Фоку, для мікрочастинок існує принцип відносності до умов їх спостереження. При одних умовах ми «бачимо» один образ. При інших, з іншої точки зору, «вид» частинки буде іншим. Найголовнішою умовою спостереження властивостей мікрочастинок є діапазон доступних енергій. Чим вище енергія мікрочастинки, тим імовірніше утворення хмари (або «атмосфери») віртуальних партнерів навколо неї. Згідно співвідношенню невизначеностей для енергії і часу, на дуже короткий час енергія рухається елементарної частинки може стати достатньою для народження навіть більш масивною віртуальної частинки, ніж досліджувана нами частка.

Прискорення мікрочастинок, здійснюване спостерігачем за допомогою складного обладнання, підвищує енергію і робить віртуальні процеси все більш ефективними. Якщо за короткий час життя віртуальної частинки нічого особливого не станеться, вона зникне, повернувши свою енергію-масу. Якщо ж протон в цей період зазнає зіткнення з іншої реальної часткою, то одна з віртуальних частинок може перейти в реальну форму існування. Зіткнення допомагають віртуальним часткам придбати «права громадянства» в світі реальних частинок.

Навпаки, в діапазоні низьких енергій, протон все більше схожа на безструктурну, «елементарну» частку. Саме за таких умов спостереження ми вимірюємо зазвичай масу спокою протона, його заряд і спін. Можна сказати, що в цьому проявляється відносність руху, про яку ми говорили в розділі 4.

В області релятивістських швидкостей і величезних енергій прискорених частинок слабшає Зарядове взаємодія, так як сили кулонівського дії все більше компенсуються силами магнітного взаємодії зарядів (див. П. 5.2). І тоді на зміну їм приходять інші закони взаємодії. Для протона це будуть взаємодії за участю пі-мезонів.

За ідеєю Худеков Югавіа, висловленої ще в 30-і рр. XX ст., Саме ці частинки «пов'язують» протони з нейтронами і іншими протонами в ядрах атомів.

Основні положення концепції

електрослабмх взаємодій

Нуклеарную-планетарна модель атома Резерфорда поставила перед класичним природознавством дві проблеми. Перша з них, проблема стабільності електронної оболонки, нами вже обговорювалася. Другий є проблема стабільності атомного ядра.

Чому такий малий за розмірами ядро не рвуться електростатичним відштовхуванням позитивно заряджених протонів? І чому деякі ядра все ж розпадаються? Щоб відповісти на ці питання, потрібно немало часу. Тільки до середини нинішнього століття вдалося розробити теорії нових двох взаємодій, яких не знало класичне природознавство. Йдеться про теорію сильних і слабких взаємодій елементарних частинок.

Термін сильні відноситься до взаємодій, що передаються л-мезонами на коротких відстанях (в межах ядра). Слабкі взаємодії відповідальні за нестабільність нейтрона і його перетворення в протон з випусканням антинейтрино і електрона (або р-частинки, що і визначає p-розпад ядер). Ці взаємодії відбуваються на ще більш коротких відстанях - в межах одного нуклона.

Для пояснення походження термінів корисно порівняти інтенсивність взаємодій, наприклад двох протонів, що знаходяться на відстані близько розмірів ядра. Приймемо за одиницю кулоновское відштовхування. У табл. 11 наведені оцінки відносної інтенсивності фундаментальних взаємодій.

Таблиця 11

інтенсивність взаємодій

взаємодія

відносна

інтенсивність

область дії

1. Гравітаційне

10 " 37

не обмежена

2. Електричне

1

не обмежена

3. Сильне

100

10 -15 м

4. Слабке

0,001

г-

1

Про

До початку 60-х рр. минулого століття теорія сильних взаємодій була добре розроблена і описувала багато властивостей ядер і ядерних реакцій.

Вважалося, що нуклони є джерелами мезонного поля (поля Юкави). Всі відомі на той час і знову відкриваються елементарні частинки стали класифікувати на адрони і лептони. Перші здатні брати участь в сильних взаємодіях, тоді як друга група частинок бере участь тільки в слабких взаємодіях. Що ж рухало фізиками-теоретиками, коли вони намагалися створювати концепції об'єднаних взаємодій?

Філософи говорять, що в людській практиці Світ постає як різноманіття форм і процесів руху матерії. Наша свідомість, інтуїтивне і раціональне, шукає і знаходить закономірності в процесах руху, встановлює певну єдність за фасадом різноманітності структур і форм. Кожне відкриття нового різноманіття стимулює пошуки нового внутрішньої єдності і породжує гіпотези, теорії та концепції нового об'єднання.

Першою концепцією об'єднання можна вважати теорію гравітації Ньютона. Всі тіла, по Ньютону, створюють поле гравітації незалежно від їх форми і стану (температури наприклад). Наявність динамічної маси у фотонів приводить до їх взаємодії з гравітаційним полем.

Другий об'єднавчої теорією у фізиці стала електродинаміка Максвелла. Вона об'єднала, раніше розглядалися окремо, поле електричне та поле магнітне.

Об'єднавчої концепцією в біології була класифікація К. Ліннея. Л. Пастер відкрив різноманіття мікроорганізмів (бактерій). Д.І. Менделєєв об'єднав в струнку систему різноманіття хімічних елементів. Так що пошук загальних засад, як вираз інтегративної тенденції, був завжди характерний для природознавства, включаючи і фізику. З пошуку елементарних частинок - кварків і спроб створення теорій об'єднання електромагнітних і слабких ядерних взаємодій умовно починається період постнекласичного (сучасного) природознавства.

Протягом 1962-1968 рр. Ш. Глешоу, С. Вайнберг і А. Садам, незалежно один від одного, опублікували перші варіанти теорії електро- слабких взаємодій (в 1979 р вони отримали Нобелівську премію з фізики за ці роботи). До теперішнього часу теорія пройшла певний період «ув'язування» спірних моментів і її основні положення можна представити таким чином.

  • 1. В області енергії частинок тс 2 > 100 000 МеВ існують чотири векторних динамічних поля і одне скалярне, більш фундаментальне, ніж електромагнітне і слабке ядерне. Поділ на векторні і скалярний поля пов'язано з наявністю спина у квантів перших полів і з рівністю його нулю у частинок другого поля.
  • 2. Збудженим станів полів відповідають свої частки- хвилі.

Векторним полях відповідають бсзмассовие частки (їх маса спокою дорівнює нулю). Цим вони схожі на фотони і глюони. Відрізняються від них тим, що мають електричний заряд. Якщо глюони можна назвати пофарбованими фотонами, то кванти векторних полів слід назвати зарядженими фотонами.

Скалярному полю відповідають дуже масивні частинки-хвилі, які отримали ім'я бозонів Хіггса (пошук цих частинок запланований на введеному в 2008 р суперколайдере CERN).

3. Скалярні бозони Хіггса взаємодіють з безмасовими частинками, і в результаті суперпозиції полів відбувається наступне. Стаціонарними станами стають три частки - векторні бозони і одна частинка безмасові - звичайний фотон.

Теорія електрослабкої взаємодії передбачала величину мас нових частинок: приблизно 80ГеВ для бозонів W ' і W ~ і близько 90 ГеВ для ^ -бозона. Електричні взаємодії характерні для електронів або (3-частинок, а нейтрино завжди присутній в слабких взаємодіях. Об'єднана теорія дала їх зв'язок між собою, передбачалося перетворення електрона в електронне нейтрино при випущенні векторного бозона по реакції (46).

Згідно об'єднаної теорії, діаграми Фейнмана для реакцій розпаду нейтрона і розсіювання нейтрино на електроні виглядають наступним чином (рис. 63).

Діаграма Фейнмана для реакцій розпаду нейтрона і розсіювання нейтрино

Мал. 63. Діаграма Фейнмана для реакцій розпаду нейтрона і розсіювання нейтрино

Спочатку нейтрон випускає бозон W і перетворюється в протон, потім бозон W розпадається на антинейтрино і електрон (бета-частинку). При розсіянні нейтрино випускає нейтральний Z-бозон, електрон його поглинає, що змінює напрямки імпульсів частинок.

У 1983 р в Європейському центрі ядерних досліджень (CERN) експериментально було встановлено існування векторного бозона з масою 81 ГеВ. Пізніше була визначена і маса нейтрального бозона:

m 0 c 2 (Z °) = 91,3 МеВ.

Слід зауважити, що це найпотужніша з відкритих елементарних частинок, її маса порівнянна з масою атома срібла! Прекрасне збіг теоретичних значень передбачаються мас спокою і експериментально визначених послужило вирішальним аргументом на користь повного визнання теорії об'єднаних електрослабкої взаємодії.

Розпад об'єднаного електрослабкої взаємодії на слабке і електромагнітне, що відбувається при енергіях нижче 10 11 еВ (округлено), іноді називають пороговим зниженням симетрії фундаментальних взаємодій.

 
Переглянути оригінал
< Попер   ЗМІСТ   ОРИГІНАЛ   Наст >