okun-fizika-elementarnykh-chastits (810758), страница 18
Текст из файла (страница 18)
О развитии теории Что можно сказать о роли физиков-теоретиков в экспериментальных открытиях физики элементарных частиц? Можно назвать ряд открытий, которые явились полной неожиданностью для физиков-теоретиков. Не были пред. сказаны, например, радиоактивный распад, мкюн, странные частицы, нарушение СР-инвариантности.
Более того, вопрос «Зачем нужен мюон?» и до снх пор не имеет оконча- з7 тельного ответа. Неожиданные открытия сыграли очень важную роль в истории физики. Есть все основания ожидать, что и в дальнейшем их поток не иссякнет. Ведь область нашего знания по-прежнему очень мала по сравнению с областью неизведанного. Недаром при проектировании и строительстве каждого нового ускорителя самое ценное, что от него ожидают,— это неожиданности. В ряде других открытий предсказания теоретиков играли очень важную роль. В качестве примеров можно привести гипотезу Паули о существовании нейтрино, которая более четверти века ожидала прямой эксперименталиной проверки, или замечательный список экспериментов по поискам несохранения четности в слабых взаимодействиях, предложенный Ли и Янгом.
В обоих этих случаях имел место глубокий теоретический феноменологический анализ результатов серии экспериментов, приведших к, казалось бы, неразрешимому парадоксу. В случае нейтрино это была утечка энергии в р-распаде, в 'случае четности — парадокс й-т (О назывались в то время (К)мезоны, распадавшиеся на два пиона, а т назывались (К)мезоны, распадавшиеся на три пиона). Но, разрешив эти парадоксы, физики-теоретики лишь' сделали неизбежные логические выводы из экспериментальных данных. При желании можно сказать, что у них просто не было выбора.
Наконец, известны открытия третьего типа, где роль теоретиков исключительная. Эти открытия подготавливаются в основном внутренним развитием собственно теоретической физики. Примерами являются отклонения света в поле Солнца, позитрон, нейтральные токи. Исходные точки этих предсказаний были удалены (хотя и в различной ~ степени) от злободневных проблем экспериментальной физики. Явление отклонения света Солнцем было предвычислено Эйнштейном на основе требования инвариант- ности уравнений общей теории относительности относительно локальных координатных преобразований наиболее общего вида.
Предсказание позитрона было сделано в результате «скрещивания» Дираком квантовой механики и специальной теории относительности. Предсказание нейтральных токов явилось следствием электрослабой теории. К числу следствий этой теории относятся также Ю'- и х,- Гозоны,(Я надеюсь, что они будут уже открыты к моменту выхода этой книги из печати ").) К числу этих следствий относятся и хиггсовы бозоны.
*) См. примечание на с. 125. Конечно, в конкретной реализации идей электрослабой теории, экспериментальные открытия сыграли огромную роль. В особенности это относится к установлению уннверсальностн слабого взаимодействия н его зеркальной асимметрии. Однако основная движущая пружина в ее развитии была все же чисто теоретической. Идея о промежуточных векторных бозонах была высказана Юкавой еще в 1935 г., и с тех пор к ней возвращались не раз, Привлекательность этой идеи заключалась в том, что взаимодействие бозонов с фермнонамн характернзуется безразмерной константой н потому описывается перенормнруемой теорией, которая, в принципе, позволяет производить расчеты в высших порядках теории возмущеннй н выражать результаты этих расчетов через несколько взятых нз опыта параметров, таких, как заряды н массы частиц.
В отношении вычнслнмостн такая теория разительно отличается от четырехфермионпой теории, в которой каждый новый порядок теории возмущении приносит новые, все более ужасные н все более многочисленные расходнмостн. По существу, четырехфермнонный лагранжнан дает осмысленные ответы лишь в первом порядке теории возмущений по Он, н то непонятно почему. Правда, еще в довоенные годы выяснилось, что массивные векторные бозоны тоже дают расходнмостн хотя н не столь сильные, как четырехфермнонное взаимодействие, но все же достаточные для разрушения перенормнруемостн. Однако чисто теоретические открытия — сначала открытие локальной нзотопнческой симметрии *) н полей Янга— *) Первая попытка использования локальной изотопической симметрии для описания слабых (и сильных) взамодействий была предпринята О.
Клейном еще в 1938 г. Клейн рассматривал на равном основании дублет нуклонов (п, р) и дублет лептонов (т, е). В одном из вариантов его теории были четыре калибровочных бозона: фотон и (в современных обозначениях) ау+, йт- и Ее. Причем все калибровочные взаимодействия характеризовались одной константой — электрическим зарядом е. При построении этой теории Клейн исходил из гипотезы о существовании пятого измерения. Модель пятимервого мира, в котором питая координата циклическая, так называемая модель Калуцы — Клейна, была обьектом большого числа исследований в период между двумя мнровымн войнами, В рамках этой модели Клейн пытался построить единую теорию электромагнитного, слабого и гравитационного взаимодействий.
К сожалению, Клейн не сделал самого простого шага: не оценил величину ожидаемых масс )Р'- н а-бозоноа. Работа Клейна была прочно забыта, и современные калибровочные теории восходят к работе Янга и Миллса. Заметны кстати, ~то н последние годы имеет место бурное возрождение интереса к теориям с дополнительными пространственными измерениями. 69 Миллса, а затем механизма Хиггса — позволили избавиться от этого дефекта векторных бозонов н построить перенормируемую теорию.
Оглядываясь назад, мы видим, как теоретики последовательно, шаг за шагом, привлекая все новые идеи, связанные с симметриями, строили здание внутренне непротиворечивой теории, такой теории, которая позволяет проводить расчеты н получать осмысленные результаты, используя минимальное число внешних параметров. Никакие известные в настоящее время экспериментальные факты не требуют для своего непосредственного объяснения скалярных бозонов.
Теоретико-технически эти бозоны нужны для устранения некоторых остаточных рас~ходимостей в высших порядках теории возмущений. Наша уверенность в том, что они существуют, основана в конечном счете на идеях вычислнмости, теоретической красоты (симметрии) и самосогласованности. Когда думаешь об истории физики элементарных частиц, то иногда даже начинает казаться, что симметрия, пробиваясь через асфальт человеческого непонимания, сама водит пером теоретика и уговаривает таким образом экспериментатора открыть ее.
В следующей главе мы увидим много примеров поразительного «самозарождення» и развития идей симметрии, приведших к предсказанию'ряда удивительных явлепнй и частиц, таких, как распад протона, магнитные монополи и многочисленные суперснмметричные частицы. Было бы замечательно, если бы дальнейший прогресс физики принес с собой подтверждение хотя бы некоторых нз этих предсказаний.
Глава (// ПЕРСПЕКТИВЫ ОБЪЕДИНЕНИЯ Сбегающиеся константы. Фермноны в группе о У(5). Калнбро. вочные бозоны в группе о(/(5). Распад протона. Магнитные монополи. Модели, модели, модели... Суперснмметрня, Модели объединения н большой взрыв. Об зкстраполяцнях н прогно зах. Прнмечанне (осень 1983 г.). Сбегающиеся константы кз а = — — —, 4п 1О' 1 «2 а = — ж —, а = — ж— 4п 27 ' «м 4п 129 — и проявляют тенденцию к дальнейшему сближению. Заметим, что значение а, возросло по сравнению с макроскопическим стандартным значением 1/137 в связи с уменьшением вакуумной экранировки при уменьшении расстояния. Как мы уже отмечали в начале книги, из-за эф- 91 Если отвлечься на время от «проклятых вопросов», относящихся к массам частиц и скалярным бозонам, то современная картина фундаментальных сил выглядит очень красиво: сильное, слабое и электромагнитное взаимодействия обусловлены существованием группы локальной симметрии 5(/(3) хо(/(2) х (/(1) с ее тремя константами связи — «зарядами» д„ д„ д, и двенадцатью калибровочными полями: восемью глюонами, тремя промежуточными бозонами и фотоном.
На достаточно малых расстояниях все эти силы в основном похожи друг иа друга и приводят к потенциалу типа кулоновского: -д'/г. Для сильных взаимодействий слова «малые расстояния» означают длины, много меньшие размеров адронов, т. е. много меньшие !О " см, там господствует асимптотическая свобода. Для электрослабого взаимодействия закон Кулона вступает в силу на расстояниях, много меньших комптоновской длины волны (Р- и л-бозонов, т. е.
много меньших !О " см. На этих малых расстояниях наличие масс у бозонов становится несущественным. Три заряда при расстояниях порядка 1О " см не так уж далеки друг от друга: фекта поляризации вакуума, с ростом переданного импульса константы связи а, и а„. падают, а а, растет. На рис. 32 изображены логарифмические зависимости обратных констант связи 1/а„!/а„и '/,(!/а, ) от переданного импульса д (измеряемого в ГэВ). Смысл коэффициента '/, будет объяснен через несколько страниц. Согласно теории зависимость 1/а, от !яд — приблизительно линейная. Наибольший наклон — у траектории 1/а,, он обусловлен поляризацией глюонного вакуума. Вольшая величина наклона 1Ъ, по сравнению с наклоном траектории 1/а, связана с тем, что глюоиов больше, чем Рис. 32 промежуточных бозонов, и они поэтому дают больший эффект антиэкранирования. (Чем больше калибровочных полей, тем сильнее стремление к асимптотической свободе,) В а, преобладает эффект экранировки, и поэтому величина !/а, падает с ростом д.
Как видно из рисунка, обратные константы 1/а; сбегаются к одному значению 1/ссаиж40 при значении % дон !О" — 10" ГэВ, Индекс 61/ происходит от английских слов йтогЫ ипЦ/- са//оп и означает великое объединение трех фундаментальных взаимодействий. Естественно предположить, что ие только при д=д но и при д»дон электромагнитные, слабые и сильные взаимодействия неотличимы и описываются единой простой локальной группой симметрии с единой константой калибровочного взаимодействия ооо (см.
![](https://s.studizba.com/z.php?f=/templates/si/i/noavatar.png&w=100&h=100&t=1"){kind=avatar}
