И.М. Капитонов - Введение в физику ядра и частиц (1120452), страница 37
Текст из файла (страница 37)
Пример, Опенка еремени жизни протаона по отаношению н распаду р -+ е+ + то. Получим зту опенку сравнением с традиционным распадом нейтрона и -+ р+ е + р,. Сравниваемые распады описываются двухузловыми кварковыми диаграммами (рис. 13.9) . е+ Рва 13.9 Традиционный распад вейтроив — зто ф-распад, за который ответственна константа слабого взаимодействия н (тан /т„)1 (см, (13.28)).
Кроме того, известно, что вероятность ф-распада пропорциоиальив зперговыделелию в 5-й степеии, т.е. Чз (см, Приложение Ж). Таким образом, для вероятности распада нейтрона в едииицу времени имеем (13.34) где а 1/30, Я„= (пз„— пзр — п1,)сз ~ 0.8МзВ, таится в в 80 ГэВ/сз.
За распад протона ответственна коистаита сил Великого объединения пои = 1/40 и для вероятности такого распада, по аналогии с (13,34), получаем 3 1 ~ аои (13.35) 240 Лекция 18 где Яр = (тр — тл, — ль„о)сз сэ 800МэВ, шхсз ш 10ы Г»В/сз. В итоге для тр имеем тр — — т„— — — в 15 мил — — — в 10 лет. Помимо полей Хиггса и распада протока теории Великого объедивейвя предсказывают существование изолированных магниевых зарядов —,мовополеб Яирака. Пирах выдвинул в 1931 г. гипотезу о существовавии магвитвых монополей для сохранения фуидамевтальвой симметрии уравнений Максвелла.
Ов показал, что если существует частица с магнитным зарядом р, то электрический заряд квентуется согласво условвю И ер = -Ьс, (» — целое число). 2 Магнитиый мовополь (заряд) — источвик сфервчески симметричного магнитного поля, напряженность которого спадает как 1/тз. Ло 1976 г. искали лишь «легкие» релятивистские магнитные монополи с т„сз < 10 Г»В. Результаты этих поисков отрицательные. В 1974 г. Поляков и т'Хоофт показали, что теории Великого объединения (в частности, ВП(5)-мокель) содержат в качестве решений магнитные монополи, причем их масса огромна тлрсз ш 101«-10'т Г»В, т. е.
около 10 е-10 т г (подобные массы имеют бактерии). Столь большие массы мовополей исключают возможность получения вх ва ускорителях и объясняют безрезультатность их поисков в прошлом. В ТВО монополи возвикают при разрушении симметрии, присущей Великому объединению, при температурах ж 10зе К и их появление тесно связало с хиггсовским полем. Монополи ве являются точечными объектамв. Ови протяженны, имеют сложную «слоистую» структуру и содержат практически весь спектр частиц ТВО.
В центре монополя (т < 10 зэ см) находится «вакуум» ТВО. За вим (т < 10 за см) — область электрослабого объединения. Палее (т < 10 ~э см) — оболочка коифайвмевта, содержащая фотоны и глюовы. Снаружи (т < 10 1« см)— область фермиов-автифермиовиых пар. При расстояниях, больших нескольких ферми, такой монополь подобен дираковскому. 241 Благодаря сложному строению монополи ТВО могут служить катализаторами распада протона (эффеатл Рубакоеа). Из ненаблюдаемости распада протона найдено ограничение на ноток монополей < 10 мсм ~ ср '.с '. Слишком большой поток монополей мог бы разрушить галактическое магнитное поле (порядка нескольких микрогаусс).
Сохранение этого поля ограничивает верхний предел потока монополей величиной 10 ге ем г ср 1.с г. Магнитные монополи могли бысохраниться во Вселенной как реликты эпохи Большого взрыва. Если простейшие варианты ТВО справедливы, то в области от 100 до 10м û не происходит ничего неожиданного и не появятся новые частицы (т, е. непредсиеэываемые ТВО). Эту область иногда называют «Великой пустыней», имея в виду отсутствие новой физики в столь огромном энергетическом интервале. О. Поколения фундаментальных фермионон.
Нейтрино Уже отмечалось, что фундаментальные фермионы (кварки н лептоны) естественным образом делятся на три поколения по два кварка и два лептона в каждом (рнс.13.10). Каждое следующее поколение является как бы «утяжеленной» копией предыдущего. Вся стабильная материя, т.е, практически весь окружающий мир, состоит из частиц первого поколения. Лля чего нужны второе н третье поколения пока не ясно. Согласно простейшим теоретическим моделям без них нельзя, например, нарушить СР-инвариантность, Нарушение СР-инварнантности на ранних стадиях эволюции Вселенной, по-видимому, привело к барионной асимметрии и преобладанию вещества над антивеществом (Лекция 14). + е 2 3 1 --в 3 -1е 2 рис. гз.го 242 Лекчся 18 Разбиение кварков и лептовов по трем поколениям в соответствии с рис.13.10 подтверждается и степенью той связи, которве существует между фермнонами внутри одного поколения.
Так, лептоны одного поколения имеют сохраняющееся лептонное квантовое число одного типа (Б„Ь„или Ь„) и поэтому, скажем, электрон, всегда будет рождатьсз в паре с лептоном 1-го поколения — позитроном нли электронным антинейтрино. Что касается связи (степени взаимодействия) между кварками то, хотя кварки одного поколения в Реэудятате слабых распадов могут переходить в кварки другога поколения, связь между кварказун одного поколения наиболее сильна. Чем дальше отстоят поколения друг от друга, тем слабее связь межку кваркамн. Если связь между кварками одного поколения характеризовать коэффициентом 1, то коэффициент связи кварксв 1-го и 2-го пококення будет в 0.2, а связь кварков 2-го и 3-го поколений характеризуется коэффициентом щ 0.04. Слабее всего связь между кварками 1-го и 3-го поколений.
Она характеризуется коэффициентом щ 10-з — 10 з, Могут ли существовать другие поколения, содержащие более тяжелые фундаментальные фермионы? Существующие экспериментальные данные о ширине распада Я-бозона и отношении гелия' к водороду во Вселенной очень чувствительны к числу кейтринных ароматов (типов нейтрино). Эти данные свккетелы ствуют о том, что число таких ароматов К„(и поколений) равно трем. Так, расчеты ширины распада Я-бозона Гя, выполненные в рамках электрослабой модели с учетом лишь трех поколений кварковых и лептонных пар, дают 1'я(т) = 2.496 й 0.001 ГэВ. При этом каждый кейтривиый аромат (добавляя новый канал распада Е -~ эп) вносит в полную ширину распада величину 0.18 ГэВ.
Наиболее точное экспериментальное зкаченне Гя еле. дующее: Гя(э) = 2,4962 ж 0.0026 ГэВ, что полностью согласуется с Н„= 3 и исключает возможность существования других поколевнй фукдамеитальвых фермионов (если не существует тикелых нейтрино с массами в несколько десятков ГэВ/с ). Число легких нейтрино из экспериментальнык исследований распела Я-бозоиа следуклцее: Ю„= 3.00 ж 0.06. 243 Ограничение на число поколений фундаментальных фермионов можно получить также из отношения распространенностей ге. лия и водорода во Вселенной, равного 1:10. Гелий в основном образовался на ранней (дозвездной) стадии эволюции Вселенной и на его долю првходится около 25% массы ее видимого вещества.
Как показывают детальные расчеты, каждый лишний нейтринный аромат увеличивает эту долю примерно на 1%. Наблюдаемое отношение гелий/водород ограничивает число нейтринных ароматов значением Ф„< 3.5. В заключение этого раздела подчеркнем, что до сих пор не ясно, имеют ли нейтрино массу. Экспериментальные ограничения на массы различных типов нейтрино следующие: ел„,сз < <ЗэВ, пз„„се<0.19МэВ и гл„,се<18.2МэВ. Кроме того, не известно, являются ли нейтрино днраковскими или майорановыми, В Стандартной модели нейтрино днраковские и безмассовые и у ннх есть античастицы (антинейтрино).
Майорановы нейтрино истинно нейтральны, т. е. являются античастицами по отношению к себе. В настоящее время ряд экспериментальных групп ведет активный поиск доказательств массивности нейтрино. Осуществляются попытки обнаружить так называемые «нейтринные осцилляцииз и «безнейтринный двойной р'-распада, Не останавливаясь на сути этих опытов, заметим лишь, что обнаружение безнейтринного двойного ф-распада будет означать, что нейтрино майораново и его масса отлична от нуля. Одновременно это будет означать крушение закона сохранения лептонного заряда, которому иока не удалось сопоставить какой-либо тип симметрии. 10. Суперсимметрия Объединение всех четырех фундаментальных взаимодействий; включая гравитацию, как полагают, должно происходить при энергиях на 3-4 порядка вьппе точки Великого объединения, т.е.
при энергиях се 10гэ ГэВ. Эту энергию называют тманкоеской, и она получается следующей комбинацией трех мировых констант (гравитационной постоянной С, постоянной Планка Ь н скороств света с): Ею= 11 — =1.2 10 Гэв. Ча (13.36) Планке«скоб энергии отвечает пканкоеская масса пзр1 = = Ер~/сз = 1.2 10гэ ГэВ/сз в и 1анкое скал двина гр~ = ~/Сб/сз ~ ге 10-" см. ы Левчик И 244 При планковской энергии к трем уже объединенным при более низквх энергиях сильному, электромагнитному н слабому взаимодействиям присоелиняется гравитационное, образуя единое универсальное взаимодействие.
![](https://s.studizba.com/z.php?f=/templates/si/i/noavatar.png&w=100&h=100&t=1"){kind=avatar}
