Часть 6 ФИЗИКА АТОМНОГО ЯДРА И ЭЛЕМЕНТАРНЫХ ЧАСТИЦ

Раздел 18 ФИЗИКА ЭЛЕМЕНТАРНЫХ ЧАСТИЦ

18.10. Основания создания и основные положения единой теории слабого и электромагнитного взаимодействий

Некоторые ядра, распадаясь, излучают нейтрино, но только не в одиночку, а обязательно в паре с заряженной частицей - электроном или позитроном. После открытия новых частиц, например, мезонов, оказалось, что они при распаде также могут излучать нейтрино, но непременно вместе с заряженной частицей. Все это указывает на то, что нейтрино всегда появляется в паре с заряженной частицей. Это явление называют существованием «заряженного нейтринного тока».

Долгое время никому не удавалось открыть нейтральный нейтринный ток, т.е. выявить процесс, в котором есть нейтрино, но нет заряженных частиц, сопровождающих его, хотя ни один фундаментальный закон природы не отрицает существование таких токов. Однако за помощью нескольких сложных экспериментов, выполненных независимо разными группами исследователей в Швейцарии, США, были открыты нейтральные нейтринные токи. Это открытие смело одну из преград на пути к единой теории субъядерных взаимодействий. Эксперименты подтвердили выводы теории о взаимодействии нейтрино с нуклонами, нейтрино с электронами, а также о электрон-нуклонні реакции с нейтральными токами. При осуществлении экспериментов выявлено несколько необычных, по предварительным представлениям, мюонних пар. Было сделано предположение, что причиной возникновения их является «очарованные» частицы, неизвестный тогда экспериментаторам класс частиц. «Очарованные» частицы характерны для всех единых моделей слабого, электромагнитного и сильного взаимодействий. В связи с этим особый интерес представляют джей-пси-частица, группа χ-частиц и др. (см. подраздел 18.8).

За своими квантовыми числами джей-пси-частица повторяет фотон, но в отличие от него имеет не нулевую, а достаточно большую массу, которая равна 3,1 Гэв. Масса других частиц примерно в 30 раз больше массы промежуточных бозонов. Они не являются также адронами. Адроны легко превращаются друг в друга, а массивный адрон, родившись, непременно распадается примерно за 10^-23 с на менее массивные частицы. Джей-пси-частицы живут более 10^-20 с.

Итак, джей-пси-частицы - это не настоящие «зачарованные» адроны (они были обнаружены позже), а частицы с скрытым чармом. Это означает, что джей-пси-частица состоит из кварка с и антикварка с_} который словно экранирует очарование кварка. Кварк с, как и любой другой, должен сохранять присущую ему индивидуальность, т.е. «очарованность» сохраняется в сильном взаимодействии. В связи с этим джей-пси-частица имеет свободно распадаться только на «зачарованные» адроны, которые содержат кварк с. Однако пара «зачарованных» адронов имеет суммарную массу большую, чем джей-пси-частица, поэтому такой переход запрещен законом сохранения энергии. Для распада в джей-пси-частицы остается единственная возможность: пара зачарованных кварков имеет проанігілювати, превратившись в легкие кварки, из которых образуются обычные легкие адроны. Превращение происходит не непосредственно, а через стадию глюонів. Глюонная стадия задерживает распад и тем самым продлевает время жизни джей-пси-частицы. Относительно слабая связь глюонів с «очарованными» кварком и антикварком в момент аннигиляции их - специфическое свойство, предусмотрена квантовой хромодинамікою.

Теоретически было предусмотрено существование целой группы частиц со спрятанной «зачарованностью». «Группа чармонію» - так назвали новую группу адронов, первым представителем которой оказалась часть джей - пси. Опираясь на современную теорию, экспериментаторы впоследствии обнаружили целый спектр частиц со спрятанной «зачарованностью» и различными квантовыми числами.

К важным достижениям физики последних лет относятся успехи в создании единой теории взаимодействия элементарных частиц. Квантовая теория объясняет взаимодействие между частицами одного типа обменом частиц второго типа. Установлено, что электромагнитное взаимодействие обусловлено обменом фотонами, а взаимодействие между нуклонами - обменом π-мезонами. Естественно возникает вопрос об носителя слабого взаимодействия. В процессах слабого взаимодействия, например при β-распаде, всегда участвуют четыре фермионы. Следовательно, частицы-носители должны иметь целый спин, то есть быть бозонами. Исходя из соотношения между радиусом действия и массой, пришли к выводу, что масса гипотетических частиц (носителей слабого взаимодействия) должна составлять несколько десятков протонных масс. Время жизни их должно быть около 10^-18 с. Радиус действия таких частиц обратно пропорционально их массам. Слабая взаимодействие является короткодіючою, радиус ее действия меньше 10^-17 м.

А. Салам, С. Вайнберг и Ш. Ли Глешоу создали теории, объединяющей слабое и электромагнитное взаимодействия. Согласно с этой теорией должны существовать заряженные и нейтральные мезоны очень больших мас - около 100 Гэв. С участием этих мезонов, которые называют промежуточными, слабая взаимодействие сводится к двух этапов, каждый из которых (промежуточная взаимодействие) является взаимодействием электромагнитного типа. Теоретически предусмотрено, что слабое взаимодействие обусловлена тремя сортами заряженных и нейтральных промежуточных векторных бозонов W⁺, W^- и Z⁰. Природа слабого и электромагнитного взаимодействий единственная в том смысле, что на самом глубоком уровне истинная сила их одинакова и промежуточные векторные бозоны взаимодействуют с лептонами и адронами на малых расстояниях так же, как и фотоны с заряженными частицами. Однако радиус слабого взаимодействия значительно меньше, чем электромагнитной, поскольку масса промежуточных бозонов-переносчиков слабого взаимодействия очень велика - несколько десятков протонных масс. Только на малых расстояниях слабое взаимодействие близка по значению к электромагнитной. В 1979 г. за создание електрослабої теории, объединяющей электромагнитное и слабое взаимодействия, А. Салам, С. Вайнбергу и Ш. Ли Глешоу была присуждена Нобелевская премию. Эта теория оказалась эвристически ценной своими предсказаниями эффектов и характера взаимодействий, в частности относительно существования так называемых нейтральных токов. Она стимулировала большой цикл экспериментальных работ, в которых было подтверждено предсказания теории.

В 1981 г. в Швейцарии было введено в эксплуатацию ускоритель на встречных протон-антипротонних пучках с энергией столкновения до 540 Гэв (так называемый р-коллайдер). Этой энергии достаточно для рождения промежуточных векторных бозонов. Они могут возникать в столкновениях кварков и антикварків, которые входят в состав протонов и антипротонов, то есть образуются в результате следующих процессов:

Группа исследователей во главе с К. Руббиа обнаружила и наблюдала 71 заряжен и 6 нейтральных бозонов. Группа исследователей, которую возглавлял П. Дарьюл, экспериментально установила 35 заряженных и 5 нейтральных бозонов. Экспериментальные значения масс промежуточных векторных бозонов

практически совпадают с теоретически предсказанными:

Экспериментальное подтверждение объединенной теории электрослабых взаимодействий имеет особое значение, поскольку здесь речь идет о фундаментальных свойствах материи.

Наряду с теорией электрослабых взаимодействий создано калибровочную полевую теорию сильных взаимодействий кваркових (квантовую хромодинаміку, которая локализует группу «цвета»).