И.М. Капитонов - Введение в физику ядра и частиц (1120452), страница 38
Текст из файла (страница 38)
Теоретические модели, посвященные такого рода объединению, имеют дело с суперсиммепэриеб (ЗПБУ) — симметрией между фермионами и бозонами (модели Велнкого объединения рассматривали симметрию между кварками и лептонами). Этой новой более высокого ранга симметрии отвечает инвариантность к преобразованию, изменяющему ерин частицы. Любая модель Великого объединения может быть расширена за счет включения в нее суперснмметрин. Таблица 13.3 Основные ЯОЯУ-партнеры В ЗПБУ-моделях фермиовы и бозоны собраны в супермультиплеты. Симметрия между фермионами и бозонами в супермультиплете такова, что каждый фермион имеет партнером бозон и наоборот.
Прн этом число фундаментальных частиц практически удваивается — у каждого фундаментального фермнона (кварка или лептона) появляется бозонный партнер с нулевым олином (называемый сквархом или слептоном). В свою очередь, каждый известный бозон (фотон, глюон, гу~, 2) и хиггс имеет фермионного партнера (соответственно фотиво, глюнно, вино, зино, хвггсино). Основные ЗПЗУ-партнеры перечислены в табл. 13.3.
Суперчастицы 3, 7, 8 часто называют вебшралено. Самая легкая вз суперчастнц дошкна быть стабильна. Такие частицы могут составлять значительную часть невидимой (темной) материн Вселенной (Лекция 14). 245 При точной суперсимметрии БУБУ-партнеры имеют одинаковые массы. Пока не найдено ни одной суперсимметричной частипы (их поиск — важная задача физики высоких энергий), что свидетельствует о нарушении суперсимметрии.
Масштаб этого нарушения определяет массы суперчастиц. На пути создания единой теории всех взаимодействий должна быть решена и задача построения последовательной теории гравитации, соединяющей принципы квантовой теории поля и суперсимметрии. Возможно, решение проблемы будет достигнуто в теории суперструн — гипотетических одномерных объектов, имеющих линейные размеры порядка планковской длины (10 аз ем) и натяжение (энергию на едини~у длины) планковского масштаба. Ниже планковской энергии теория суперструн не отличается от суперснмметричной квантовой теории поля с точечными фермионами.
Струнная природа частиц должна проявляться лри энергиях вьппе планковской. Минимальная размерность пространства-времени, в котором может быть построена теория суперструн, равна 10 — временная координата и 9 пространственных. Это пространство прн энергиях ниже планковской должно «свертываться» (компактифицироваться) в наблюдаемое четырехмерное пространство-время. Таким образом, в рассмотренных теоретических концепциях предсказывается объединение всех фундаментальных взаимодействий в единое универсальное взаимодействие при энергиях вылив планковской (10'э Г»В).'Гакие энергии соответствуют характерным расстояниям < 10 аз см. Единому взаимодействию отвечает наивысшая симметрия.
С уменьшением энергии симметрия в системе частиц снижается путем ее последовательного спонтанного нарушения. При этом от единой силы «отщепляются» ее отдельные хорошо нам известные составляющие — гравитационная, снльная, слабая и электромагнитная (рис. 13.11). Фантастические значения энергии Великого объединения (10~э-10~э Г»В) и планковской энергии (10~э Г»В) исключают полноценную проверку вышеупомянутых конпепций в ускорительных экспериментах.
Лаже если построить сверхпроводящее ускорительное кольпо с диаметром, равным диаметру Земли, то протон можно будет ускорить лишь до 10з û (синхротронное излучение не позволит превысить этот предел). В то же время достигнутые на сегодняшний день энергии ускорителей позж» ляют, налрнмер, искать бозоны Хиггса и суперсвмметричные Ленная 18 частицы. Среди «веускорителыпяхэ экспвриментоэ можно выделить опыты по поиску мовололей 11ирака и распада протона.
Опрелелевные надежды связаны с твм, что Вселенная должна была пройти все стадии, показанные на рис.13.11, в процессе своего охлаждения после Большого взрыва (моменты достижения этих стадий после Большого взрыва указаны на рисунке). иком пазтифиаациа тб!зр В 1бзз 1О-зз а=~в! спонтанное нвруозенив симмвтрии зз и зз взаимоямтстэив взаимодействие Таким образом, должна возникать прямая связь между физикой частиц сверхвысоких энергий и космологией.
Уставовленве этой связи позволяет выавить те объекты нынешней Вселенной, которые несут «следы» ее самого раннего горячего состояния, и возможно дадут недостающие подтверждения справедливости'единых теорий. 247 Лекция 14 1. Вселеннпа. Свидетельство Большого взрыве й. Первые мгновенна Вселеннов. Дозвеэдныс синтез ядер '8. Бприонноя асимме|прия. Отсутствие пнтивещество ео Вселенноя. Як<звания 4. Звездноя эре.
Ядерные реокиии в звеэдол 1. Вселенная. Свидетельства Большого взрыва . Согласно концепции Большого взрыва более 10 млрд лет вазад вещество Вселеввой было сковцевтрироваво в очевь малом объеме и имело огромную плотность, температуру и давление (Леметр, Гамов). Происходило стремительвое (взрыввое) расширение Вселенной, сопровождаемое ее охлаждением и умевьшевием давления.
Если за вачальвый момент 1 = 0 взять момевт Большого взрыва, то зависимости плотности р и температуры Т вещества от времени 1 космологического расширевия даются следующими приближеввымв соотношениями (без вывода): р [г/см ~ оэ —, э б 10' 1010 Т(К) пэ —. (14.1) Яс) (14.2) где Н вЂ” носпьояннаа Хаббла. Таким образом, скорость разлета галактик прямо пропорциональна расстоявию между ними. Такое разбегавие галактик является сввкетельством расшврешы Вселеввой. Звал числеввое звачевие постояивой Хаббла и считая, что ока ве мевяется со временем, можно оцеввть момент Из этих соотвошевий видно, что при $ = 1с Вселеввал имела колоссальную плотность (аэ 10эг1'смз) и температуру (эз 10геК). Лля сраавевия укажем, что температура в центре Сопвца 1.5 107 К.
Расширение Вселенной следует из авапиза красного смещения спектров видимого излучения галактик (т. е, увеличения длин волн излучения) за счет эффекта Лопплера. Установлено, < что величина красного смещения и, следовательно, скорость раз- < бегашы галактик увеличивается для более удалеввых галактик., Скорость разлета и двух галактик и расстояние Л между ними связано законам Хп66ла: 248 времени в прошлом, когда все галактики были практически в одной точке.
Учитывая, что Н = 71 х 7км/(с мегапарсек) и 1мегапарсек = 3.1 10~я км, получаеаг для времени 1е, прошедше- го после Большого взрыва, следующее значение: Л 1 Уо ю — = — = (12-18) млрд лет. о Н (14.3) Состояние Вселенной в настоящее время характеризуется величинами, приведенными в табл. 14.1.
ч Таблипа 14.1 Характеристики Вселепиой в иастолгыее время 12-18 млрд лет 10зз см 10ее г 10 гег/смз 1073 <10 ~ 71х 7км/с Мпк Возраст зо Радвус (горияоигв еидимосгви) гге зе с1о Подвое количество вещества п ввергли Средпяя плотпость вепмства и зпергвп Полное барпоююе число (число вуююпов) Поля ептвзещества Постояпиел Хаббла Н Температура реликтового (фонового) пзлучеппя Плотность реликтовых фотоиов Эвергетпческея плотпосгь реликтовых фотонов Отпошевпе числа реликтовых фотопоз к чяклу бариопов и /пе 2.73 К 411 см-3 0.28 зВ(смз = = 4.6 ° 10 зег~смз (10з 1010), 1 Распространенность атомов (ядер); по числу ио массе еоа рог ееяиб осюольиме 91% 8,9% < 0.2% 70.7% 27.4% 1.9% 1 лееаварсеи= 3.1 ° 10~я ил Вселенная в большнх масштабах (> 100 Мпк) однородна н изотропна, Она содержит ие менее 10гг галактнк.
Паша галактика — Млечный путь — содерыит 10'~ звезд. ( 249 Средняя плотность р вещества и энергии во Вселенной определена с 10%-й точностью из большого числа разнообразных астрофизических наблюдений. Оказалось, что она в пределах точности опытных данных совпадает с критической плоткостлью р„. Последняя, как известно, выражается через постоянную Хаббла и гравитационную постоянную С: р„= — ш 10 г/см . 3Н 8яб Средняя плотность р Вселенной определяет ее геометрию и судьбу.
То, что р яе р, означает, что Вселенная плоская (описывается геометрией Евклида) и будет расширяться неограниченно долго (Лекция 15, и. 2). В отличие от величины средней шютностн р Вселенной, ее состав известен значительно хуже. Наиболее хорошо определен вклад в плотность Вселенной той части, которую называют йарооккой матлерией. Она состоит из оптически ярких звезд (на их долю приходится лишь 1,~1о массы барионной материи), межзвездной пыли и газа, молекулярных облаков, остатков звездной эволюции (включая черные дыры), планет и очень маленьких звезд, массы которых недостаточны для ядерных реакций синтеза.
Масса всей совокупности этого вещества практически целиком сосредоточена в барионах (протонах и нейтронах), причем на долю протонов приходится 85%, а на долю нейтронов — 15% этой массы. Нейтроны связаны в ядрах, главным образом, в гелии. В среднем на 4-5 мз нынешней Вселенной приходится 1 протон и 1 электрон (Вселенная электрически нейтральна). Плотность барионной материи невелика — всего 5% полной плотности Вселенной.
95% вещества-энергии Вселенной заключено в неизвестной оптически невидимой небарионной материи, которую принято называть шемкой зклкеркей (йагк шаФ$ег). О ее существовании и ( вкладе определенно свидетельствуют гравитационные эффекты. ~ Пенные наблюдений свидетельствуют также о том, что темная материя делится на две части: первая — неизвестные массивные частицы (это могут быть стабильные нейтральные суперчастицы (табл.
13.3), в том числе гипотетические тяжелые нейтрино) и вторая — вакуум. Имеется ввиду физический еакудм, т. е. наинизшее энергетическое состояние физических полей, пронизывающих пространство. Плотность энергии вакуума может быть не равной нулю и за счет квантовых эффектов достигать весьма ьзз .ззо 250 Ленная 14 больших значений. Вакуум, на фоке которого разворачиваются пропессы во Вселенной, наделен отрицательным давлением н ответствен за появление гравитацнбивого отталкивания. Это особое свойство вакуума имеет прямое отношение к механизму Большого взрыва. К этому вопросу мы вернемся в п.
3, а пока сделаем ряд замечаний о реальности самого Большого взрыва. Существует несколько прямых следствий событий далекого прошлого, подтверждающих концепцию Вольшого взрыва. Этн явления называются реликтовыми. Основные среди них: 1) микроволновое фоновое излучение (температура 2.7 К); 2) высокая распространенность гелия (сз ~/а всех ядер по массе); 3) соотношение между числом фотонов и барионов (10з-10'е): 1 в пользу фотонов).
'Хаблица 14.2 Вклады в яюлиую плотность Вселенной различных форм материи (э еяияяпах р, =10 ззг/смз) Наиболее убедительным подтверждением теории Большого взрыва явилось открытие в 19ббг. Вильсоном и Пензиасом предсказанного Гамовым реяияглоеого микроволнового излучения. Форма спектра этого излучения соответствует излученвю абсолютно черного тела с температурой 2.7К. Это излучение заполняет всю Вселенную.
![](https://s.studizba.com/z.php?f=/templates/si/i/noavatar.png&w=100&h=100&t=1"){kind=avatar}
