Фундаментальное взаимодействие элементарных частиц

В 1980 г. были опубликованы результаты эксперимента, проведенного в Институте теоретической и  экспериментальной физики в Москве, согласно которым масса электронного нейтрино отлична от нуля: 14 эВ 46 эВ. Этот вывод был сделан на основе измерения спектра электронов в -распаде трития:

Когда электрон вылетает с энергией, близкой к максимальной, то кинетическая энергия нейтрино близка к нулю. Это создает оптимальные условия для обнаружения возможной массы нейтрино. Измеряя форму спектра электронов вблизи его верхней границы, экспериментаторы пришли к указанному выше результату. Распад .трития с его рекордно малым энерговыделением особенно подходит для таких измерений.

В связи с вопросом о нейтринных массах возрос интерес  к поискам двух явлений: нейтринных осцилляции и двойного -распада.

Впервые на возможность  существования нейтринных осцилляции указал в середине 50-х годов Понтекорво, вскоре после того, как Пайс и  Пиччиони предсказали осцилляционные эффекты в пучках нейтральных _K-мезонов. В настоящее время число работ, посвященных теоретическому обсуждению нейтринных осцилляции, исчисляется сотнями. В ряде лабораторий на ядерных реакторах и ускорителях идут экспериментальные поиски этого явления.

Попытки наблюдать осцилляции на ускорителях также пока что не дали положительного результата. Не обнаружены осцилляции и у нейтрино, рожденных космическими лучами в атмосфере Земли. Наиболее точные измерения такого рода были осуществлены в Баксанской нейтринной обсерватории. Здесь наблюдали реакции, инициированные нейтрино, рожденными над Австралией и прошедшими сквозь земной шар. Несмотря на такой большой путь от источника до детектора, никаких признаков утечки (по сравнению с расчетным потоком нейтрино видно не было.

Обычно лептоны характеризуют лептонным квантовым числом L, которое равно +1 для и —1 для  . В стандартной теории слабого взаимодействия лептонное число сохраняется. Если, однако, нейтрино обладают майорановыми массами, то лептонное число не сохраняется. При этом, вместо трех нейтрино и трех антинейтрино, мы имели бы дело с шестью истинно нейтральными, так называемыми майорановыми нейтрино. Входящие в слабые токи нейтральные состояния представляли бы собой суперпозиции этих майорановых нейтрино.

Несохранение лептонного числа делает возможным очень своеобразное явление — безнейтринный двойной -распад. В обычном -распаде происходит слабый переход

 

Рис. 14                  Рис.   15

одного d-кварка в один u-кварк. В отличие от этого, в двойном -распаде два d-кварка одновременно переходят в два u-кварка. Если при этом антинейтрино испускаются (рис. 14), то распад называется двухнейтринным ; если же виртуальное нейтрино, испущенное одним кварком, поглощается другим кварком (рис. 15), то распад называется безнейтринным . Последний процесс возможен, только если нейтрино майораново, так как лептонный заряд в этом процессе не сохраняется. Оба этих распада идут во втором порядке теории возмущений по константе слабого взаимодействия G_F, и поэтому ожидаемые времена полураспада , для них очень велики.

Вероятность двухнейтринного  распада можно рассчитать более или менее надежно. (Она сильно меняется от ядра к ядру, поскольку очень чувствительна к величине энерговыделения.) В отличие от этого, вероятность безнейтринного распада надежно предсказать нельзя, пока остаются неизвестными степень и механизм несохранения лептонного числа.

Вопрос о том, какие  частицы являются переносчиками  слабого взаимодействия, долгое время  был неясен. Понимания удалось  достичь сравнительно недавно в  рамках объединенной теории электрослабых взаимодействий - теории Вайнберга-Салама-Глэшоу. В настоящее время общепринято, что переносчиками слабого взаимодействия являются так называемые - и Z⁰-бозоны. Это заряженные и нейтральная Z⁰ элементарные частицы со спином 1 и массами, равными по порядку величины 100 m_p.

 

Особенности  слабого  взаимодействия.

 

Отличительными признаками слабых процессов являются следующие.

1. Их слабость (медленность), выражающаяся в том, что вероятность этих  процессов   на  много  порядков  меньше вероятностей сильных и электромагнитных процессов.
2. Малый  радиус взаимодействия — как минимум  на два порядка меньший, чем радиус сильного взаимодействия. Ни в одном из слабых процессов не удалось до 1982 г. об наружить каких-либо отклонений  от точечного четырехфермионного взаимодействия.
3. Сильное, максимально возможное несохранение пространственной и зарядовой четностей. Так, в заряженные токи входят только левые компоненты спиноров, описывающих частицы, и только правые компоненты спиноров,описывающих античастицы.
4. Несохранение СР-четности.
5. Несохранение ароматов (странности, чарма и т. д.).
6. То обстоятельство, что только в слабых взаимодействиях принимают участие нейтрино.

Согласно электрослабой  теории слабые взаимодействия заряженных токов обусловлены обменами W-бозонами, а нейтральных — Z-бозонами, подобно тому как взаимодействие электромагнитных токов обусловлено обменом фотонами. При этом слабость и малый радиус слабого взаимодействия объясняются тем, что, в отличие от фотонов, W- и Z-бозоны — очень тяжелые частицы. Остальные особенности слабого взаимодействия прямо заложены в предположении о форме исходных фермионных токов теории.

Тенденции объединения  взаимодействий.

 

Мы видим, что на квантовом  уровне все фундаментальные взаимодействия проявляют себя одинаковым образом. Элементарная частица вещества испускает  элементарную частицу - переносчик взаимодействия, которая поглощается другой элементарной частицей вещества. Это ведет к взаимовлиянию частиц вещества друг на друга.

Безразмерная константа  связи сильного взаимодействия может  быть построена по аналогии с постоянной тонкой структуры в виде . Если сравнить безразмерные константы связи, то легко заметить, что самым слабым является гравитационное взаимодействие, а затем располагаются слабое, электромагнитное и сильное.

Если принять во внимание уже развитую объединенную теорию электрослабых взаимодействий, называемую сейчас стандартной, и следовать тенденции объединения, то возникает проблема построения единой теории электрослабого и сильного взаимодействий. В настоящее время созданы модели такой единой теории, получившие название модели великого объединения. Все эти модели имеют много общих моментов, в частности характерная энергия объединения оказывается порядка 10¹⁵ ГэВ, что значительно превосходит характерную энергию объединения электромагнитных и слабых взаимодействий. Отсюда вытекает, что прямое экспериментальное исследование великого объединения выглядит проблематичным даже в достаточно отдаленном будущем. Для сравнения отметим, что наибольшая энергия, достижимая на современных ускорителях, не превышает 10³ ГэВ. Поэтому если и будут получены какие-либо экспериментальные данные относительно великого объединения, то они могут носить только косвенный характер. В частности, модели великого объединения предсказывают распад протона и существование магнитного монополя большой массы. Экспериментальное подтверждение этих предсказаний было бы грандиозным триумфом тенденций объединения.

Общая картина разделения единого великого взаимодействия на отдельные сильное, слабое и электромагнитное взаимодействия выглядит следующим образом. При энергиях порядка 10¹⁵ ГэВ и выше существует единое взаимодействие. Когда энергия становится ниже 10¹⁵ ГэВ, сильное и электрослабое взаимодействия отделяются друг от друга и представляются как различные фундаментальные взаимодействия. При дальнейшем уменьшении энергии ниже 10² ГэВ происходит отделение слабого и электромагнитного взаимодействий. В результате на масштабе энергий, характерных для физики макроскопических явлений, три рассматриваемых взаимодействия выглядят как не имеющие единой природы.

Заметим теперь, что энергия 10¹⁵ ГэВ отстоит не так далеко от планковской энергии

ГэВ,

при которой становятся существенными квантовогравитационные эффекты. Поэтому теория великого объединения  с необходимостью ведет к проблеме квантовой гравитации. Если далее следовать тенденции объединения, мы должны принять идею о существовании одного всеобъемлющего фундаментального взаимодействия, которое разделяется на отдельные гравитационное, сильное, слабое и электромагнитное последовательно по мере понижения энергии от планковского значения до энергий, меньших 10² ГэВ.

Построение такой грандиозной  объединяющей теории, по-видимому, неосуществимо в рамках системы идей, приведших к стандартной теории электрослабых взаимодействий и моделям великого объединения. Требуется привлечение новых, возможно кажущихся сумасшедшими, представлений, идей, методов. Несмотря на очень интересные подходы, развитые в последнее время, такие, как супергравитация и теория струн, проблема объединения всех фундаментальных взаимодействий остается открытой.

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

Список используемой литературы.

 

1. Окунь Л.Б. Физика элементарных частиц.М.: Наука, 1988 г.
2. Соросовский образовательный журнал, № 5, 1997 г.
3. Соросовский образовательный журнал, № 9, 1996 г.
4. Окунь Л.Б. Лептоны и кварки. М.: Наука, 1982 г.
5. Наумов А.И. Физика ядра и элементарных частиц.М.: Наука, 1992 г.