Развивающаяся Вселенная

Во-первых, предсказано, что помимо двух электрически заряженных векторных бозонов W^±, фигурировавших в первоначальной теории, существует еще и электрически нейтральный векторный бозон Z⁰. Это означает, что в природе реализуются не только слабые взаимодействия, сопровождающиеся изменением электрических зарядов участвующих частиц, примером чему служит тот же b-распад нейтрона, но и процессы распада, протекающие без изменения электрических зарядов частиц. Такие процессы назвали нейтральными слабыми токами. Ранее они в экспериментах не обнаруживались. Теория подтолкнула экспериментаторов на целенаправленный поиск нейтральных токов и в 1973 году они были открыты на ускорителе в ЦЕРН’е. Это был серьезнейший аргумент в пользу теории и ее объединительной идеи. В 1979 году С.Вейнбергу, Ш.Глешоу и А.Саламу присуждена Нобелевская премия по физике "за их вклады в теорию единого слабого и электромагнитного взаимодействия между элементарными частицами".

Во-вторых, теория объединения предсказала до того неизвестные значения масс векторных бозонов:

Открытие промежуточных векторных бозонов явилось выдающимся событием. Оно потребовало создания уникального ускорителя и не менее уникальных двух устройств для регистрации частиц, рождающихся при столкновении протонов с антипротонами. В мероприятии участвовало множество людей, объединенных в единый коллектив экспериментаторов и инженеров. Авторами открытия считаются более ста ученых из разных стран мира, принимавших участие в планировании, подготовке и проведении экспериментов. Таковы сегодня масштабы экспериментальных работ в области физики высоких энергий и такова роль теории в подобных работах. Двум руководителям и идейным вдохновителям эксперимента – К.Руббиа и С. Ван дер Мееру – присуждена Нобелевская премия по физике за 1984 год. Единая природа слабого и электромагнитного зарядов теперь не вызывает сомнений. Теория сильных взаимодействий находится в процессе созидания. Ее назначение – описать объединение кварков и антикварков в адроны. По своей идеологии это типичная полевая теория, ее назвали Квантовой хромодинамикой (КХД). Исходным положением КХД служит постулат о существовании трех типов цветовых зарядов, выражающий присущую веществу способность к объединению кварков и антикварков в сильном взаимодействии. Каждый кварк обладает некоторой комбинацией этих зарядов, но полной их взаимокомпенсации в одной частице не происходит, поэтому кварк обладает результирующим цветом, то есть, сохраняет способность к сильному взаимодействию. Но когда три кварка или кварк и антикварк, или три антикварка объединяются в адрон, суммарная комбинация цветовых зарядов в нем такова, что адрон, как частица, оказывается нейтральным в отношении цвета.

Цветовые заряды создают поля с присущими им квантами – бозонами, переносчиками сильного взаимодействия. Всего образуются 8 полей с соответствующими восемью бозонными частицами, названными глюонами. О необычных свойствах глюонов говорилось выше. В частности, 6 из 8-и глюонов имеют цветовые заряды, поэтому: несмотря на отсутствие массы, их радиус действия ограничен атомным ядром. При попытке глюона покинуть ядро нарушается условие бесцветности, возникает бурное выделение в вакууме облака виртуальных глюонов и кварк-антикварковых пар, компенсирующих вносимое возмущение. Для полного выделения из адрона частицы, обладающей цветовым зарядом, понадобилась бы бесконечно большая энергия. Но как только вводимая энергия превысит определенный уровень, вакуум выделяет уже не виртуальные, а реальные кварк - антикварки, образующие поток адронов, что и наблюдается в экспериментах на ускорителях. Сильное взаимодействие при всех условиях сохраняет бесцветность частиц.

До открытия кварков и цветового взаимодействия фундаментальным считали ядерное взаимодействие, объединяющее, как тогда предполагалось, элементарные протоны и нейтроны в ядрах атомов. Японский физик Юкава еще в 30-е годы предложил модель ядерных взаимодействий, в которой на роль обменной частицы выдвинул тогда еще неизвестный науке пимезон (пион) с массой в 200 - 300 раз превышающей массу электрона. Пионы вскоре были обнаружены в космических лучах. Сегодня известны три их разновидности, две из которых имеют соответственно положительный и отрицательный электрические заряды, а третья – нейтральна. Слабое взаимодействие приводит к быстрому распаду заряженных пионов. Казалось бы, теория ядерных взаимодействий получила прочную экспериментальную основу. Но с открытием кварков, из которых слагаются и протоны, и нейтроны, ядерные силы перестали рассматриваться как фундаментальные, их место заняли цветовые силы. В таком случае чем считать ядерные силы, которые соединяют составленные из кварков барионы в реально существующие атомные ядра?

Правило бесцветности адронов, казалось бы, обрекает все частицы этого рода на полную пассивность. Такое утверждение справедливо, если речь идет о дистанциях, превышающих 10^–13 см, то есть, о радиусе действия цветовой силы. Если же расстояние между адронами (в частности, между составляющими ядро барионами) не превышает этой дистанции, то внутри сферы указанного радиуса возможно сильное взаимодействие между находящимися там частицами, несмотря на их коллективную бесцветность. Радиус атомного ядра, как мы знаем, совпадает с радиусом действия цветовой силы, что обеспечивает протекание процесса взаимодействия, объединяющего барионы в ядро. Напрашивается аналогия с атомами, которые в целом электрически нейтральны, но при сближении на дистанцию порядка 10^–8 см именно электрические силы соединяют их в молекулы. Так что ядерные силы являются отголосками цветовых сил, как химические силы являются отголосками электромагнитных сил.

Предполагается, что при сближении барионов на расстояние порядка 10^–13 см и меньше они теряют свои индивидуальные особенности, обмен глюонами между кварками приобретает коллективный характер, связывая все эти частицы в единое целое, в атомное ядро. Перемещение одного из кварков на непозволительное удаление от другого нарушает локальную нейтральность цветового заряда, вакуум реагирует на это рождением виртуальной кварк-антикварковой пары. Кварк этой пары замещает "нарушителя" на его законном месте, а антикварк вместе с беглецом образует виртуальный пион, принимаемый за обменную частицу ядерного взаимодействия.

Заветная мечта физиков – выявить универсальность всех четырех фундаментальных сил. Объединение электромагнитного и слабого взаимодействия в единое электрослабое взаимодействие стало первым обнадеживающим успехом на этом пути. Следующим шагом, как надеются ученые, станет открытие Большого Объединения. Так физики называют пока еще не созданную теорию объединения электромагнитного, слабого и сильного (цветового) взаимодействия в единое целое. Интересную попытку в этом направлении предприняли в 1973 году Ш.Глешоу и Х.Джорджи. Они показали, что такое объединение в принципе возможно. Предложен вариант, в котором объединенный заряд создает поля 24-х разновидностей с соответствующими промежуточными бозонами. Половина этих полей и частиц принадлежит вакууму. Переходы между лептонами и кварками становятся возможными, когда взаимодействующие частицы сближаются на фантастически короткую дистанцию 10^–29 см, она названа масштабом объединения. Для такого сближения необходимо сообщить частицам энергию порядка 10¹⁷ ГэВ, чему соответствует температура, превышающая 10²⁷ К. Если оценка верна, то подходящие для объединения условия могли иметь место только на предполагаемой самой начальной стадии развития Вселенной. Из этой незавершенной теории следует вывод о нестабильности протона, его период полураспада оценен в 10³¹ лет. Число огромное, но важен сам факт нестабильности. Задача экспериментальной проверки такого следствия теории встречает серьезные трудности и пока остается нерешенной.

Еще более грандиозна идея объединения всех четырех фундаментальных сил, включая гравитацию. Соответствующие теоретические построения называют суперобъединением. Пока идет лишь разработка подходов к проблеме, но если на этом пути наметится успех, то унификация природных сил будет доведена до предельно возможной. Для более глубокого знакомства с затронутыми вопросами дополнительно к ранее цитировавшимся источникам [14, 15] можно рекомендовать [19].