Головна ⇒ 📌Довідник с фізики ⇒ Підстави створення і основні положення єдиної теорії слабкої і електромагнітної взаємодій

Підстави створення і основні положення єдиної теорії слабкої і електромагнітної взаємодій

ФІЗИКА

Частина 6 ФІЗИКА АТОМНОГО ЯДРА І ЕЛЕМЕНТАРНИХ ЧАСТИНОК

Розділ 18 ФІЗИКА ЕЛЕМЕНТАРНИХ ЧАСТИНОК

18.10. Підстави створення і основні положення єдиної теорії слабкої і електромагнітної взаємодій

Деякі ядра, розпадаючись, випромінюють нейтрино, але тільки не поодинці, а обов’язково в парі із зарядженою частинкою – електроном або позитроном. Після відкриття нових частинок, наприклад мезонів, виявилось, що вони при розпаді також можуть випромінювати нейтрино, але неодмінно разом із зарядженою частинкою. Все це вказує на

те, що нейтрино завжди з’являється в парі із зарядженою частинкою. Це явище називають існуванням “зарядженого нейтринного струму”.

Тривалий час нікому не вдавалось відкрити нейтральний нейтринний струм, тобто виявити процес, в якому є нейтрино, але немає заряджених частинок, що супроводжують його, хоча жодний фундаментальний закон природи не заперечує існування таких струмів. Проте за допомогою кількох складних експериментів, виконаних незалежно різними групами дослідників у Швейцарії, США, були відкриті нейтральні нейтринні струми. Це відкриття змело одну з перепон на шляху до єдиної теорії суб’ядерних

взаємодій. Експерименти підтвердили висновки з теорії про взаємодію нейтрино з нуклонами, нейтрино з електронами, а також про електрон-нуклонні реакції з нейтральними струмами. При здійсненні експериментів виявлено кілька незвичайних, за попередніми уявленнями, мюонних пар. Було зроблено припущення, що причиною виникнення їх є “зачаровані” частинки, невідомий тоді експериментаторам клас частинок. “Зачаровані” частинки характерні для всіх єдиних моделей слабкої, електромагнітної і сильної взаємодій. У зв’язку з цим особливий інтерес становлять джей-псі-частинка, група χ-частинок та ін. (див. підрозділ 18.8).

За своїми квантовими числами джей-псі-частинка повторює фотон, але на відміну від нього має не нульову, а досить велику масу, яка дорівнює 3,1 ГеВ. Маса інших частинок приблизно в 30 разів більша від маси проміжних бозонів. Вони не є також адронами. Адрони легко перетворюються один в одного, а масивний адрон, народившись, неодмінно розпадається приблизно за 10-23 с на менш масивні частинки. Джей-псі-частинки живуть понад 10-20 с.

Отже, джей-псі-частинки – це не справжні “зачаровані” адрони (вони були виявлені пізніше), а частинки із захованим чармом. Це означає, що джей-псі-частинка складається із кварка с і антикварка с} який немовби екранує зачарованість кварка. Кварк с, як і будь-який інший, має зберігати властиву йому індивідуальність, тобто “зачарованість” зберігається в сильній взаємодії. У зв’язку з цим джей-псі-частинка має вільно розпадатися тільки на “зачаровані” адрони, які містять кварк с. Проте пара “зачарованих” адронів має сумарну масу більшу, ніж джей-псі-частинка, тому такий перехід заборонено законом збереження енергії. Для розпаду у джей-псі-частинки залишається єдина можливість: пара зачарованих кварків має проанігілювати, перетворившись у легкі кварки, з яких утворюються звичайні легкі адрони. Перетворення відбувається не безпосередньо, а через стадію глюонів. Глюонна стадія затримує розпад і тим самим продовжує час життя джей-псі-частинки. Відносно слабкий зв’язок глюонів із “зачарованими” кварком і антикварком у момент анігіляції їх – специфічна властивість, передбачена квантовою хромодинамікою.

Теоретично було передбачено існування цілої групи частинок із захованою “зачарованістю”. “Група чармонію” – так назвали нову групу адронів, першим представником якої виявилась частина джей – псі. Спираючись на сучасну теорію, експериментатори згодом виявили цілий спектр частинок із захованою “зачарованістю” і різними квантовими числами.

До важливих досягнень фізики останніх років належать успіхи в створенні єдиної теорії взаємодії елементарних частинок. Квантова теорія пояснює взаємодію між частинками одного типу обміном частинок другого типу. Встановлено, що електромагнітна взаємодія зумовлена обміном фотонами, а взаємодія між нуклонами – обміном π-мезонами. Природно виникає питання про носія слабкої взаємодії. В процесах слабкої взаємодії, наприклад при β-розпаді, завжди беруть участь чотири ферміони. Отже, частинки-носії повинні мати цілий спін, тобто бути бозонами. Виходячи із співвідношення між радіусом дії і масою, дійшли висновку, що маса гіпотетичних частинок (носіїв слабкої взаємодії) повинна становити кілька десятків протонних мас. Час життя їх має бути близько 10-18 с. Радіус дії таких частинок обернено пропорційний їхнім масам. Слабка взаємодія є короткодіючою, радіус її дії менший за 10-17 м.

А. Салам, С. Вайнберг і Ш. Лі Глешоу створили теорію, яка об’єднує слабку і електромагнітну взаємодії. Згідно з цією теорією мають існувати заряджені і нейтральні мезони дуже великих мас – близько 100 ГеВ. За участю цих мезонів, які називають проміжними, слабка взаємодія зводиться до двох етапів, кожний з яких (проміжна взаємодія) є взаємодією електромагнітного типу. Теоретично передбачено, що слабка взаємодія зумовлена трьома сортами заряджених і нейтральних проміжних векторних бозонів: W+, W – і Z0. Природа слабкої і електромагнітної взаємодій єдина в тому розумінні, що на найглибшому рівні істинна сила їх однакова і проміжні векторні бозони взаємодіють з лептонами і адронами на малих відстанях так само, як і фотони із зарядженими частинками. Проте радіус слабкої взаємодії значно менший, ніж електромагнітної, оскільки маса проміжних бозонів-переносників слабкої взаємодії дуже велика – кілька десятків протонних мас. Тільки на малих відстанях слабка взаємодія близька за значенням до електромагнітної. У 1979 р. за створення електрослабої теорії, що об’єднує електромагнітну і слабку взаємодії, А. Саламу, С. Вайнбергу і Ш. Лі Глешоу було присуджено Нобелівську премію. Ця теорія виявилась евристично цінною своїми передбаченнями ефектів і характеру взаємодій, зокрема відносно існування так званих нейтральних струмів. Вона стимулювала великий цикл експериментальних робіт, в яких було підтверджено передбачення теорії.

У 1981 р. в Швейцарії було введено в експлуатацію прискорювач на зустрічних протон-антипротонних пучках з енергією зіткнення до 540 ГеВ (так званий р-коллайдер). Цієї енергії досить для народження проміжних векторних бозонів. Вони можуть виникати в зіткненнях кварків і антикварків, які входять до складу протонів і антипротонів, тобто утворюються внаслідок таких процесів:

Група дослідників на чолі з К. Руббіа виявила і спостерігала 71 заряджений і 6 нейтральних бозонів. Група дослідників, яку очолював П. Дарьюл, експериментально встановила 35 заряджених і 5 нейтральних бозонів. Експериментальні значення мас проміжних векторних бозонів

Практично збігаються з теоретично передбаченими:

Експериментальне підтвердження об’єднаної теорії електрослабких взаємодій має особливе значення, оскільки тут йдеться про фундаментальні властивості матерії.

Поряд із теорією електрослабких взаємодій створено калібрувальну польову теорію сильних кваркових взаємодій (квантову хромодинаміку, яка локалізує групу “кольору”).