Перспектива дальнейшего объединения фундаментальных взаимодействий

Подтверждение реальности существования векторных бозонов (их ещё называют промежуточными бозонами) стимулировало теоретический анализ их возможной роли во взаимодействиях сильных. Для сильных взаимодействий современная физика не отрицает теорию пимезоипого поля Юкавы, как СТО Эйнштейна не отрицает механику Ньютона. На более глубоком, более фундаментальном уровне л-мезоны состоят из кварков. Поэтому взаимодействие промежуточных бозонов теперь рассматривают именно с кварками, а не с мезонным полем.

Современная теория сильных взаимодействий показывает, что имеется определенная аналогия в процессах взаимодействия промежуточных бозонов с лептонами и с кварками (табл. 12).

Таблица 12.

Аналогия в реакциях превращения фундаментальных частиц

Пептоны.	Кварки.
т" —> vT + W	d и + W
|Г -+ve+W~	и —э d + W'

Реакции взаимопревращений происходят внутри выделенных семейств с участием векторных бозонов, эти частицы входят в обе теории. На основании аналогии этих и многих других более сложных взаимодействий, возникла идея о дальнейшем объединении, получившая образное название Великого объединения. Предварительные теоретические проработки, выполненные за последние годы, показали, что последующие этапы объединения электрослабых и сильных взаимодействий возможны только при достижении энергии порядка 10²⁴ эВ. При таких энергиях частицы одного семейства (лептонов) смогут превращаться в частицы другого семейства (кварков).

Возможности современных ускорителей на встречных пучках протонов и антипротонов (суперколлайдер LHC) в ближайшей перспективе не превысят 10¹' эВ. Как видим, вопрос об экспериментальной проверке теории Великого объединения пока не ставится. Тем не менее, следует привести схему границ, при достижении которых не исключено повышение симметрии фундаментальных взаимодействий (табл. 13, рис. 64).

Считается, что Великое объединение может описать квантовая теория калибровочных полей, развивающая современную квантовую хромодинамику.

Отметим, что вся экспериментальная база современной физики микромира подтверждает существование лишь трех поколений фундаментальных частиц, таблица которых уже приводилась выше.

Таблица 13.

Энергетические пороги объединения взаимодействий

Название объединительной теории.	Достижение симметрии во взаимодействиях частиц.	Энергетический порог объединения, эВ.
Электрослабое взаимодействие.	Пептонов.	ю11
Великое объединение.	Пептонов и кварков.	ю24
Супергравитация.	Пептонов, кварков и гравитонов.	1028

Последняя проверка этого положения была проведена сравнительно недавно в экспериментах на встречных пучках электронов и позитронов (на ускорителе LEP, который несколько лет назад был разобран, чтобы дать жизнь новому, более мощному ускорителю LHC). Анализу подвергли резонансные кривые, предсказываемые для Z-частицы по различным вариантам теории, их сравнили с данными по более десяти тысячам событий образования Z-бозонов, наблюдавшихся в CERN.

При увеличении энергии соударяющихся электрона и позитрона меняется выход Zчастиц, так что амплитуда распределения и ширина пика па полувысоте зависят от числа поколений фундаментальных составляющих вещества. По тому теоретическому распределению, на которое «укладываются» экспериментальные результаты, можно сделать вывод о числе поколений фундаментальных частиц. Оказалось, что все экспериментальные данные согласуются с предположением о существовании трех поколений фундаментальных частиц вещества.

Кроме того, согласно теории Великого объединения протон не является стабильной частицей и может распадаться на позитрон и нейтральный пион либо на положительный пион и нейтрино. Время распада по первоначальному варианту составляло 10'° лет. Попытки обнаружить распад протона не увенчались успехом, гак что время стабильно;

сти протона, по крайней мере, больше 10″ лет. Таким образом, ясно, что теория пока ещё далека от завершения. Если распад обнаружат, это будет свидетельством верности идеи Великого объединения.

В последние годы активно развивается идея микрочастиц-струн. Она связана с одной из особенностей энергии взаимодействия, с её обратно пропорциональной зависимостью от расстояния. Когда расстояние стремится к нулю, величина энергии стремится к бесконечности, что приводит к потере физического смысла. Если же рассматривать некоторый линейный, а не точечный объект, то энергия взаимодействия стремится к большой, но конечной предельной величине. Таким путем расходимость энергии на малых дистанциях устраняется.

Следует отметить, что энергии порядка 10²⁸ эВ в принципе недостижимы для человечества, поскольку такой уровень энергии элементарные частицы имели только в первые мгновения после рождения Вселенной. По мере ее расширения плотность энергии уменьшалась и происходило пороговое понижение симметрии фундаментальных взаимодействий.

Первоочередной задачей экспериментальных исследований микромира, которые планируют в ближайшие годы проводить на встречных пучках протонов (суперколлайдер LHC), является поиск бозонов Хиггса.

Для их обнаружения теория предсказывает некоторые возможные варианты реакций с их участием. На рис. 65 бозоны Хиггса обозначены греческой буквой кварки обозначены символом q, а глюоны — g.

Участие России в реализации экспериментов на суперколлайдере заключается в разработке, изготовлении и поставке в CERN детектора с рекордными параметрами регистрации микрочастиц — 800 000 000 частиц в секунду.

Другой проблемой для решения на ускорителе LHC является поиск очень массивных и очень слабо взаимодействующих частиц, которые могут остаться во Вселенной с первых мгновений ее эволюции. Это частицы так называемой «темной материи», которой, судя по ряду наблюдений, выполненных при исследовании Вселенной, на порядок больше, чем известного вещества в ней. Как предполагают теоретики, частицы «темной материи» смогут проявить себя в реакциях с другими частицами очень высоких энергий, достижимых на суперколлайдере LHC.

Таким образом, в современном естествознании исследования микромира объединяются с проблемами исследования мегамира, в космологии оказываются необходимыми сведения о свойствах и поведении элементарных частиц.

Задания для самостоятельной работы

• 1. Приведите пример использования термина «потенциал» в гуманитарной области.
• 2. Запишите, в каких случаях мы замечаем инерционность нашего тела. Приходилось ли Вам испытывать чувство невесомости или ослабления Вашего веса?
• 3. Приведите пример электризации каких-либо тел (желательно Вашего). Можно ли считать, что при электризации происходит рождение зарядов противоположных знаков?
• 4. На основании материала п. 5.4.1 дайте объяснение выцветания картин и обоев на солнечном свету. Какие процессы происходят при этом в красках?
• 5. Можно ли наблюдать явление интерференции света в повседневной жизни? Приведите пример наблюдения интерференции света в тонких пленках.