Б.С. Ишханов, И.М. Капитонов, Н.П. Юдин - Частицы и атомные ядра (1120562), страница 99
Текст из файла (страница 99)
Дело в том, что масса частицы, как мы хорошо понимаем, имеет одно и то же значение в любой точке пространства и является инвариантом относительно преобразований Лоренца, т. е. не меняется при этих преобразованиях. Последнее обстоятельство является не совсем тривиальным— 9 2. Базин Хиггеа 499 (!!.7) обычная энергия есть нулевая компонента четырехмерного вектора импульса и изменяется при переходе из одной системы отсчета в другую, движущуюся относительно исходной. Поэтому хиггсовское поле должно быть одинаковым во всем пространстве и быть также лоренц-иниариантам.
Масса частицы определяется интенсивностью ее взаимодействия с хиггсовским полем или, что то же, константой С ее связи с этим полем. По современным косвенным данным величина постоянного в пространстве хиггсавскаго поля уээ определяется соотношением 1 ,/2ЬЛд ' где Сн = 0,896 !О ~ ГэВ.Фм' — фермиевская константа связи. В результате взаимодействия с полем Хиггса фермионы приобретают массы тгс = С (Лс) 1ээ. Поскольку в этом выражении(э%с) зуээ = 174 ГэВ, то отсюда следует, что для электрона константа (, = 3 ° 1О Ь, для 1-кварка сг = !. Таким образом, в СМ пространство заполнено однородным и пока непосредственно не наблюдаемым киггсовским полем.
Одним нз важнейших вопросов СМ остается вопрос о происхождении этого поля. В основном (низшем) энергетическом состоянии, отвечающем физическому вакууму, хнггсовское поле отличается от нуля, что приводит к спонтанному нарушению локальной калибровочной симметрии физических полей. Спонтанное нарушение симметрии возникает в силу особой зависимости энергии хиггсовского поля от величины этого поля у. Эта зависи- О масть с минимумом на качественном уровне авэо изображена на рнс. 11.4.
Рве. 11.4. Зависимость плот- Поле ре соответствует равновесному (ми- ности энергии хиггсовского нимальному по энергии) значению поля. Из полн е" от величины поля р рис,! 1.4 следует, что в состоянии равновесия все пространство должно быть заполнено полем игэ. Взаимодействие с полем угэ, поскольку оно нарушает симметрию, лежащую в основе электро- слабой теории, приводит к расщеплению единой электрослабой теории на квантовую электродинамику и теорию слабого взаимодействия. Поле Хиггса создает массу у первоначально безмассовых фундаментальных частиц. В простейших вариантах Стандартной модели должен существовать только один нейтральный бозон Хиггса Не.
В теории суперсимметрии (см. ниже) наряду с нейтральным бозоном могут существовать и заряженные бозоны Хиггса Н+. Возоны Хиггса проявляются как виртуальные частицы-кванты поля Хиггса. Но они должны наблюдаться и как реальные частицы. Их можно обнаружить, используя их физические характеристики. Основное отли- 500 Глава 11. Проблемы. Перспекагаеы чие базанов Хиггса от других фундаментальных базанов-переносчиков взаимодействия состоит в том, что бозоны Хиггса имеют нулевой спин.
Четность бозона Н' должна быть положительной, т.е. они являются скалярными частицами, Основная сложность лля поиска бозона Хиггса заключается в том, что Стандартная модель не фиксирует значение его массы. Из точных электрослабых измерений следует, что тле' < 250 ГэВ. Бозоны Хиггса должны быстро распадаться преимушественно на тяжелые частицы. Тип Распада зависит от массы Н". Если тн.сз < !40 ГэВ, то наиболее вероятным каналом распада будет (11.8) Н - ЬЬ. Если пзн.сз > 200 ГэВ, то возможны Распады НО И И и Не ЯЯ, (1 !.9) На основе анализа экспериментальных данных по поиску бозонов Хнггса можно пока только слелать вывод: если бозоны Хиггса сушествуют, их масса должна быть больше 115 ГэВ; (11.10) гплес > 1!5 ГэВ. Бозоны Хиггса планируется открыть в БЕРНе на большом адронном коллайдере (ЕНС) в 2008-20!О гг.
4 3. РВСПВД ПРОтОНа Одним из важнейших предсказаний ТВО является распад протона. Показанные на рис.! !.3 процессы с участием Х- и У-базанов отвечают за возможные распады протона (а также нейтрона) — рис. 1!.5. т е. р ее+а' ле 2у т.е. и — 7, +я' ! ле 2у 2у д Рас. 11.5. Кварковые диаграммы аозмо:кных распадов протона и нейтрона 50! 03. Распад протона Рис. 11.6. Кварковые диаграммы, ответственные за распад нейтрона (слепа) и протона (справа) Вероятность предсказанного распада протона (нейтрона) чрезвычайно мала из-за огромной массы виртуальных Х- и У-бозонов.
По оценкам ТВО в лучшем случае (Я/з-модель) время жизни протона относительно доминирующего канала распада р -~. с~+па не может преяышать 1Оз' лет. В то же время для этого канала распада протона эксперимент уже дает > 5 10зз лет, что исключает минимальнУю ЯУз-модель. Пример. Оценить время жизни протона по отношению к распалу р — е~ + я".
Решение. Оценку получим, сравнивая распад протона с распалом нейтрона и- р+е + р,. Сравниваемые распады описываются каарковыми диаграммами (рис. 1!.б). Распад нейтрона — ' это ф-распад, яероятность которого определяется произведением константы слабого взаимодействия на множитель (гпя /рпр) ' ге 10 ', возникающий за счет подавления слабого процесса вследствие большой массы !4'-бетона: ои( — ) Вероятность !1-распада пропорциональна энерговыделению в 5-й степени (правило Сарлжента), т. е. сз'. Таким образом, лля вероятности распада нейтрона в единицу времени имеем 2 (11.11) тле аа ге 1/30, 9, = (глр — пзр — т,)с' ре О,л ГэВ, тя - ЗО ГэВ/с'.
Вероятность распада протона опрелеляется коне~энтой сил Великого объединения аоц = 1/40 и лля вероятности такого распада, по аналогии с (11.11), получаем (11.12) гле Чр — — (тпр — пз, — рп„р)с' 800 МэВ, а гпх в 10и ГэВ/с'. В итоге лля тр имеем тр = т„( — ) ( — ) ( — ") м 15 мин( — ) ( — ) ( — '~ рз 10н лет. 502 Глава 1!. Проблемы. Перспективы ф 4. Монополь Дирака Помимо полей Хиггса и распада протона теории Великого объединения предсказывают сушествование изолированных магнитных зарялов— монополей лирико. Для сохранения фундаментальной симметрии уравнений Максвелла П. Дирак вылвинул в !931 г. гипотезу о сушествовании магнитных монополей.
Он показал, что если сушествует частица с магнитным зарядом р, то электрический заряд квантуется согласно условию и ер =- — 7гс (и — целое число). 2 (11.13) Магнитный монополь (заряд) — источник сферически симметричного магнитного поля, напряженность которого спадает с расстоянием как 17г'. До 1975 г, искались лишь «легкие» релятивистские магнитные монополи с пз„сз < 1О ГэВ.
Результаты этих поисков оказались отрицательными. В !974 г. было показано, что теории Великого объединения (в частности, Л7,-модель) содержат в качестве решения магнитные монополи, причем их масса должна быть огромна гпис 10'~-10п ГэВ, т. е. около 10 "-1О ' г (подобные массы имеют бактерии). Столь большие массы монополей исключают возможность получения их на ускорителях и объясняют безрезультатность их поисков в прошлом. В ТВО монополи возникают при разрушении симметрии, присушей Великому объединению, при температурах 10м К, и их появление тесно связано с хиггсовским полем.
Монополи не являются точечными объектами. Они протяженны, имеют сложную слоистую структуру и содержат практически весь спектр частиц ТВО. В центре монополя (г < 1О зз см) находится вакуум ТВО. За ним (г < 1О '" см) — область злектрослабого объединения. Далее (г < 10 " см) — оболочка конфайнмента, содержашая фотоны и глхюны.
Снаружи (г < 10 и см) — область фермионантифермионных пар. При расстояниях, ббльших нескольких ферми, такой монополь подобен дираковскому. Благодаря сложному строению монополи ТВО могут служить катализаторами распада протона (эГйфект Ргбиково). Из ненаблюлаемости распада протона найдено ограничение на поток монополей < 10' '4 см з ср ' .с '. Слишком большой поток монополей мог бы разрушить галактическое магнитное поле (порядка нескольких микрогаусс). Сохранение этого поля ограничивает верхний предел потока монополей величиной 1О "см ' ср ' с '.
Магнитные монополи могли бы сохраниться во Вселенной как реликты эпохи Большого взрыва. Если простейшие варианты ТВО справедливы, то в области от 100 до 10" ГзВ не происходит ничего неожиданного и не появятся новые частицы (т. е. не предсказываемые ТВО). Эту область иногда называют Великой пустыней, имея в виду отсутствие новой физики в столь огромном энергетическом интервале. 503 в 5. Сунерсииметрил ф 5. Суперсимметрия — 1,2 ° 10 ГэВ. !э ~а (1 1,14) Планковской энергии отвечают нланковскол масса пзр! --- — — — ~/ — = 1,2 !О ГэВ!гс Ер! глс !э Чс и нланковскал длина -зз гг! — — у — !0 см.
Ч~ При планковской энергии к трем уже обьединенным при более низких энергиях сильному, электромагнитному и слабому взаимодействиям Хотя понятие спина имеет поверхностное сходство с образом вращающегося волчка, оно имеет и значительные отличия, связанные с квантовой природой спина. Открытие спина показало, что имеется еще один вид движения, которого не существует в классической Физике. Можно поставить вопрос: если обычное вращательное движение приводит к изотропной симметрии пространства, нет ли еще одной симметрии законов природы, связанной со спинолз? Такую симметрию предполагают и называют сунерсимметрией. Суперсимметрия — это симметрии между частицами с полуцелым олином (Фермионы — кварки, лептоны) и частицами с целым спином (бозоны — фотоны, глюоны, и", Я,...).
Если во Вселенной действительно реализуется принцип суперсимметрии, то каждой известной частице должен соответствовать суперснмметричный партнер, спин которого отличается на 1/2. Так, например, электрон должен иметь суперсимметричного партнера со спинам, равным О. Там, где проявляется суперсимметрия, массы частицы и ее суперсимметричного партнера должны быть равны нулю. В модели нарушенной суперсиммегрии частицам приписываются массы. При этом считается, что суперпартнеры имеют массы гораздо большие, чем у наблюлаемых сейчас частиц. Так, например, суперпартнер электрона должен иметь массу в миллион раз большую, чем электрон. Теории суперсимметрии (ЯУЗУ-теории) служат еще одним возможным кандидатом на единую теорию взаимодействия фундаментальных частиц. В Я7Я!г-теориях не делается различия между частицами с целым и полуцелым спинами, т.е.
не делается различия между суперпартнерами. Объединение всех четырех фундаментальных взаимодействий, включая гравитацию, как полагают, должно происходить при энергиях на 3-4 порядка выше точки Великого объединения, т. е. при энергиях ! О'э ГэВ. Эту энергию называют нланковской, и она получается следующей комбинацией трех мировых констант (гравитационной постоянной О, постоянной Планка л и скорости света с): 504 Глава 11. Проблемы.
Перслектливы Твблипа 11.3 Основные оГуоу-партнеры присоединяется гравитационное, образуя единое универсальное взаимодействие. Именно такое взаимодействие, как полагают, и характеризуется суперсимметрией — симметрией между фермионами и бозонами (модели Великого объелинения рассматривали симметрию между кваркамн и лептонами). Этой новой более высокого ранга симметрии отвечает инвариантность к преобразованию, изменяющему спин частицы. Любая молель Великого объединения может быть расширена за счет включения в нее суперсимметрии.
![](https://s.studizba.com/z.php?f=/templates/si/i/noavatar.png&w=100&h=100&t=1"){kind=avatar}
