Б.С. Ишханов, И.М. Капитонов, Н.П. Юдин - Частицы и атомные ядра (1120562), страница 98
Текст из файла (страница 98)
табл. 11.1). Сделаем замечание по поводу величины константы слабого взаимодействия о . В качестве этой константы часто приводится величина 10 е, т.е. примерно на четыре порядка меньше указанной нами в табл. 11.1. В этой существенно меньшей чслабой константе» учтено влияние на вероятность слабого взаимодействия массы переносчика такого взаимодействия — промежуточного бозона (И' или о). Масса пз переносчика входит в элементарную амплитуду взаимодействия через пропагатор 1 гпзсз «2 (см.
соотношения (3.94) и (3.95)): 1 Амплитуда ~/а пропагатор ~/о = а. ,з ~,з' где Е' 9 = — — Д 495 в 1. Обьедаиение взаамодейгмвай 1 д~ о 1 Амплитуда а — а —. тгсг — аг щгсг Таким образом, при низких энергиях большая масса промежуточных бозонов резко снижает амплитуды слабых процессов. Это дополнительное уменьшение амплитуды слабых процессов за счет массы переносчика можно у!есть, изменив соответствующим образом слабую константу ач. В этом случае, как можно показать, при переданных энергиях = ! ГэВ, слабая константа уменьшается за счет множителя (т!г/пгр) ', где т!г и пгр соответственно масса промежуточного бозона и протона, примерно на четыре порядка по сравнению с величиной 1/23, приведенной в табл.
11.1, и становится значительно меньше электромагнитной. Итак, «слабость» слабого взаимодействия по сравнению с электромагнитным — следствие большой массы промежуточных бозонов. Слабый заряд оказывается больше электромагнитного примерно в 2 раза. Вернемся к обсуждению табл. 11.1. Понижение а, с ростом энергии— следствие антиэкранировки сильного (цветового) заряда, приводящей к асимптотической свободе. Антиэкранировка также имеет место и для слабого заряда и понижает а,„с ростом энергии. Для а, из-за экранировки имеет место рост константы с энергией. Наиболее резко изменяется с энергией константа сильного взаимодействия.
Величины, обратные константам взаимодействия, т.е. 1/а;, согласно теории зависят от энергии логарифмически и соответствующие предсказываемые теорией графики приведены на рис. 11.2. Из этого рисунка видно, что константы трех фундаментальных взаимодействий, сильно различающиеся при низких энергиях, с ростом энергии сближаются и в конце концов «сбегаются» при энергиях 10м-10гв ГэВ практически к одному для всех взаимодействий значению 1 ггпу 40 (.» На этом основана надежда создать теорию, объединяющую сильное, электромагнитное и слабое взаимодействия. Концепции объединения этих трех взаимодействий называют Великим объединением — бгапд цп16сабоп (С»1!).
Электрослабая модель, объединившая электромагнитное и слабое взаимодействие, — лишь часть программы Великого объединения. — квадрат четырех-импульса виртуальной частицы, и поэтому влияет на вероятность процесса. Все фундаментальные взаимодействия, кроме слабого, реализуются обменом безмассовой частицей (бетон, глюон, гравитон), При очень больших четырех-импульсах виртуальной частицы (д' >) пггсг) масса переносчика взаимодействия не влияет на величину ее амплитуды, которая в этом случае зависит от импульса как — 1/дг.
Однако, при малых импульсах (гуг (( тгсг) величина амплитуды перестает зависеть от дг и уже существенно определяется массой переносчика: 49б Глава 11. Проблемы. Перснекслнвы г.шсы г !о-" г !о«н г !осж г !о- г.!о-н 1/о 60 50 40 3О !о о !о' !о" !о'" !020 Энергия, ГзВ 1О" !0" Рис. 11.2. Сбегаюшисся константы взаимодействий На рис. 11.2 график 1/о«приведен с коэффициентом 3/8.
Появление этого коэффициента связано с понятием угла Вайнберга б»н (его называют также слабым углом смешнвания). Этот угол можно определить через отношение элементарного электрического и слабого зарядов е — = з!и дт«, Уо (1 1.3) з1п 9»«!м, = 0,231. (11.4) Теории Великого объединения (ТВО) предсказывают, что в районе объ- единения (т.е. при 10м — 1О'4 ГэВ) угол Вайнберга возрастет до значения, определяемого соотношением гй! Оы ~ оц 8 (11.5) Умножение 1/а, на графике (рис. 11.2) на величину 3/8 обеспечивает «одновременное» попадание констант электромагнитного и слабого взаимодействия в район Великого объединения.
При энергии Великого объединения вместо сильного и электро- слабого взаимодействий возникает единое взаимодействие. Сушествуют различные версии ТВО. Простейшая версия принадлежит Г.Джорджи и Ш. Глэшоу (1974). Ее называют минимальной Я(тз-моделью (цифра 5 з1п д»т, как и константы взаимодействий, изменяется с энергией. Из экспе- римента найдено, что при энергии гпзсз = 91 ГэВ значение угла Вайнберга определяется соотношением 497 Э 1. Обаейииение взаимодействий таблица 11.2 Фундаментальные бозоны минимальной ЯГ~-модели означает, что речь идет о пятимсрной группе).
Фундаментальные фермионы этой модели это уже известные 6 кварков и 6 лептонов. Что касается фундаментальных бозонов, то к четырем уже известным (И', Я, у, глюон) добавляются два новых — переносчики сил Великого абаединепил бозоны Х и Г имеюшие спин 1, но дробные электрические заряды (соответственно +«е и +-,'е). Таким образом, возникает новый «полный набор» фундаментальных частиц 6 кварков + 6 лептоиов + 6 бозовов. Высокая степень симметрии проявляется, я частности, в безмассовости всех частиц (речь идет об энергиях > 1О'» ГэВ).
Как и кварки, Х- и У-бозоны окрашены, т. е. находятся в одном из трех цветовых состояний — красном, зеленом или синем. С учетом трех цветовых состояний Х- и г -бозонов, а также наличия античастиц (у йютона. Я-бозона и двух глюонов со скрытым цветом частица совпадает с античастицей) «полный набор» фундаментальных бозонов ЯГз-модели насчитывает 24 частицы (табл, 11. 2). Важнейшее свойство Х- и 1'-бозонов состоит в том, что они участвуют в процессах, не сохраняющих барионный и лептонный заряды.
Зтн бозоны, являясь переносчиками сил Великого обьединения, соединяют двухкварковые и кварк-лептонные вилки (рис. 11.3), что одновременно нарушает законы сохранения барионного и лептонного зарядов. Если система частиц, нагретая до температур выше точки Великого объединения (Т > Тоц - -1О" '» К), охлаждается, то она, согласно ТВО, испытает два фундаментальных фазовых перехода с понижением степени симметрии: и ч« д б Рие. 11лп Примеры лиаграмм с участием Х- и У-бизонов 498 Глава 11.
Лроблемы. Лерснекнгивы 1. При Т - 1О'" К наступает конец Великого объелинения и сильное взаимодействие отлеляется от электрослабого. При этом переносчики сил Великого объединения Х- и У-бозоны приобретают массы - 10п-1О" ГэВ/сз. Остальные частицы остаются безмассовыми. 2. При Т и 1Ом К (это соответствует энергии частиц 100 ГэВ) разрушается электрослабая симметрия, и слабое взаимодействие отлеляется от электромагнитного. В этот момент кварки, лептоны и промежуточные бозоны (И'~, Я) приобретают массы. Оба фазовых перехода с понижением степени симметрии происходят самопроизвольно (спонтанно) и поэтому носят название спонтанного наругиения симмеогрии. Это явление имеет ловольно общий характер и хорошо известно в физике.
О спонтанном нарушении симметрии говорят тогда, когда уравнения (или гамильтониан), описывающие систему, обладают определенной симметрией, а основное (т. е. устойчивое) состояние системы такой симметрией не облалает. В этом случае симметричные состояния (расположенные выше основного) неустойчивы и спонтанно за счет сверхмалых (практически нулевых) возмушений переходят в несимметричные устойчивые состояния. Примерами такого рода процессов в физике являются: спонтанное намагничивание твердого тела ниже температуры Кюри — ферромагнетизм; кристаллизация жидкости ниже критической температуры; конденсация паров волы; сверхпроводимость. Более наглядные примеры: падение вертикально поставленного незакрепленного стержня и скатывание шарика, помешенного на вершину поверхности, имеющей форму круглого мексиканского сомбреро.
В обоих этих случаях спонтанно нарушается цилиндрическая симметрив. Кроме того, видно, что спонтанное нарушение симметрии тесно связано с вырождением основного состояния (стержень может упасть, а шарик скатиться различными способами). 52. БОЗОН ХИГГСВ Одной из важнейших характеристик частиц является их масса. Стандартная модель (СМ), пожалуй, впервые делает попытку объяснить происхождение массы. Реальное содержание СМ зависит от пространственных масштабов, в которых разыгрывается тот или иной процесс.
Причем, чем ближе к нулевым относительным расстояниям между частицами, тем «более фундаментальной» является теория. В «исходной» теории фундаментальные частицы СМ являются бвзмоссовыми. В СМ массы у них появляются вследствие их взаимодействия со специальным полем, которое по сложившейся традиции называют хиггсовским нолем. Это обеспечиваюшее массу поле должно обладать не совсем обычными свойствами.
![](https://s.studizba.com/z.php?f=/templates/si/i/noavatar.png&w=100&h=100&t=1"){kind=avatar}
