Взаимодействия элементарных частиц. Виды фундаментальных взаимодействий В настоящее время в природе известны четыре вида фундаментальных взаимодействий: сильное, электромагнитное, слабое и гравитационное.
Сильное взаимодействие удерживает нуклоны в атомных ядрах и присуще также адронам. К электромагнитным взаимодействиям сводятся непосредственно воспринимаемые нами силы природы (за исключением тяготения): упругие, вязкие, молекулярные, химические и прочие. Слабые взаимодействия вызывают β-распад радиоактивных ядер наряду с электромагнитными силами управляют поведением лептонов. Нейтральные лептоны не участвуют в электромагнитных взаимодействиях. Гравитационное взаимодействие присуще всем частицам.
Об интенсивности перечисленных взаимодействий можно судить по скорости процессов, вызываемых ими. Обычно для сравнения берут скорости процессов при кинетических энергиях порядка 1 ГэВ; такие энергии характерны для физики элементарных частиц. При таких энергиях процессы, вызываемые сильным взаимодействием, проходят за время порядка 10-23 с, электромагнитным – 10-20 с, слабым – 10-9 с. Другой величиной характеризующей интенсивность взаимодействия, является длина свободного пробега частицы в веществе.
Сильновзаимодействующие частицы с энергией 1 ГэВ можно задержать железной плитой с толщиной в несколько сантиметров. Нейтрино же с энергией 0,01 ГэВ, которым свойственно только слабое взаимодействие, для задержания потребовалось 109 км железа. Сильные и слабые взаимодействия проявляются только на коротких расстояниях. Радиус действия сильных взаимодействий составляет 10-13 см, а слабых – 2 х 10-16 см. Электромагнитные силы, напротив, являются дальнодействующими.
Они убывают пропорционально квадрату расстояния между частицами. По тому же закону убывают гравитационные силы. Поэтому отношение электромагнитных и гравитационных сил не зависит от расстояния между взаимодействующими частицами. Таким образом, в области, где проявляются слабые силы, гравитационное взаимодействие частиц на много порядков меньше даже слабого. Поэтому гравитационное взаимодействие в физике микромира не учитывается. Классическая физика принимала, что взаимодействие между телами передаётся с конечной скоростью посредством силовых полей.
Так, электрический заряд создаёт вокруг себя электрическое поле, которое в месте нахождения другого заряда действует на него с определённой силой. Так же, но уже посредством других силовых полей, осуществляются все взаимодействия в природе. Квантовая физика не изменила такие представления, но учла квантовые числа самого поля. Из-за корпускулярно-волнового дуализма всякому полю должна соответствовать определённая частица (квант поля), которая и является переносчиком взаимодействия.
Одна из взаимодействующих частиц испускает квант поля, другая его поглощает. Электромагнитные взаимодействия переносятся фотонами, сильные – глюонами, слабые – промежуточными векторными W+ – и Z0 бозонами, гравитационное – гипотетическими гравитонами. В настоящее время электромагнитное и слабое взаимодействия рассматриваются как разные проявления электрослабого взаимодействия. Слабые силы на малых расстояниях (порядка радиуса их действия) одного порядка с электромагнитными.
Для промежутков времени, необходимых для переноса взаимодействия, закон сохранения энергии нарушается. Иначе, для частиц, переносящих взаимодействия, нарушается обычная связь между энергией и импульсом. Поэтому эти частицы и названы виртуальными, как и процессы испускания-поглощения виртуальных частиц. Сильное взаимодействие обеспечивает и самую сильную связь элементарных частиц. В частности, связь нуклонов в атомном ядре обусловлена сильным взаимодействием.
Этим объясняется исключительная прочность атомных ядер, лежащая в основе стабильности вещества в земных условиях. Электромагнитное взаимодействие сводится взаимодействию электрических зарядов и магнитных моментов частиц с электромагнитным полем. Электромагнитное взаимодействие обеспечивает связь электронов в атомах, ионов в кристаллах, атомов в молекулах. Электромагнитное взаимодействие играет основную роль в окружающем нас макроскопическом мире наряду с тяготением.
Это связано с тем, что сильное взаимодействие на расстояниях больше размера ядра атома практически исчезает. Электромагнитное же взаимодействие, как и тяготение, бесконечны по радиусу действия. Слабое взаимодействие и процессы, связанные с ним, протекают крайне медленно по ядерному времени. Но его интенсивность растёт вместе с энергией. При ε ~ MW слабое взаимодействие сравнивается с электромагнитным. Гравитационное взаимодействие доминирует в случае больших масс объектов.
Но в мире элементарных частиц на расстояниях порядка размера атомного ядра это взаимодействие ничтожно. Оно, возможно, становится существенным лишь на расстояниях порядка 10-33 см. Великое объединение Одной из основных целей современной теоретической физики является единое описание окружающего нас мира. Например, специальная теория относительности объединила электричество и магнетизм в единую электромагнитную силу. Квантовая теория, предложенная в работах Глеэшоу, Вайнберга и Салама, показала, что электромагнитное и слабое взаимодействия могут быть объединены в электрослабое.
Так что есть основания полагать, что все фундаментальные взаимодействия в конечном итоге объединятся. Если мы начнём сравнивать сильное и электрослабое взаимодействия, то нам придётся уходить в области всё больших энергий, пока они не сравняются по силе и не сольются в одно в районе энергий в 1016 ГэВ. Гравитация же присоединится к ним согласно Стандартной Модели в районе энергий в 1019 ГэВ. К сожалению, такие энергии сталкивающихся на ускорителях частиц не только недоступны, но и но и вряд ли будут доступны в будущем.
Однако теоретические исследования по поиску единой теории всех фундаментальных взаимодействий идут полным ходом. Объединение двух фундаментальных теорий современной физики – квантовой теории и общей теории относительности – в рамках единого теоретического подхода до недавнего времени было одной из важнейших проблем. Примечательно, что эти две теории взятые вместе, воплощают почти всю сумму человеческих знаний о наиболее фундаментальных взаимодействиях в природе.
Поразительный успех этих двух теорий состоит в том, что вместе они могут объяснить поведение материи практически в любых условиях – от внутриядерной до космической области. Большой загадкой, однако, была несовместимость этих двух теорий. И было непонятно почему природа на своём глубоком фундаментальном уровне должна требовать двух разных подходов с двумя наборами математических методов, двух наборов постулатов и физических законов? В идеале хотелось бы иметь Единую теорию поля, объединяющую эти две фундаментальные теории. Однако попытки их соединения постоянно разбивались из-за появления бесконечностей (расходимостей) или нарушения некоторых важнейших физических принципов.
Объединить эти теории удалось лишь в рамках теории струн и суперструн. История создания теории струн началась с чисто случайного открытия в квантовой теории, сделанного в 1968 году Дж. Венециано и М.Судзуки.
Перелистывая старые труды по математике, они случайно натолкнулись на бета-функцию, описанную в XVIII веке Леонардом Эйлером. К своему удивлению, они обнаружили, что, используя эту функцию, можно замечательно описать рассеяние сталкивающихся на ускорителе частиц. В 1970 – 1971 годах Намбу и Гото поняли, что за матрицами рассеяния скрывается классическая (не квантовая) релятивистская струна, то есть некий микроскопический объект, отдалённо напоминающий тонкую, натянутую струну. Потом были сформулированы и построены методы квантования таких струн.
Однако оказалось, что квантовую теорию струн корректно (без отрицательных и больших единицы квантовых вероятностей) можно построить лишь в 10 и 26 измерениях, и модель сразу перестала быть привлекательной. 10 лет эта идея влачила жалкое существование, потому что никто не мог поверить, что 10- или 26-мерная теория имеет какое-либо отношение к физике в 4-мерном пространстве. Когда в 1974 году Шерк и Шварц предположили, что эта модель является на самом деле теорией всех известных фундаментальных взаимодействий, никто не принял это всерьёз. Спустя 10 лет, в 1984 году, появилась знаменитая работа М.Грина и Д.Шварца.
В этой работе было показано, что возникающие при квантовомеханических расчётах бесконечности в точности сокращаться благодаря симметриям, присущем суперструнам. После этой работы теория суперструн стала основным кандидатом на единую теорию всех фундаментальных взаимодействий элементарных частиц, и её начали активно разрабатывать, пытаясь свести всё разнообразие частиц и полей микромира к неким чисто пространственно-геометрическим явлениям.
В чём же заключается смысл этой «универсальной» теории? Мы привыкли думать об элементарных частицах как о точечных объектах. Возможно, что первичным является не понятие частицы, а представление о некоей струне – протяжённом, неточечном объекте. В этом случае все наблюдаемые частицы – лишь колебания этих самых струн. Струны бесконечно тонки, но длина их конечна и составляет около 10-33 см. Это ничтожно мало даже по сравнению с размером нейтрино, так что для многих задач можно считать объекты точечными.
Но для квантовой теории струнная природа элементарных частиц очень важна. Струны бывают открытыми и замкнутыми. Двигаясь в пространстве-времени, они покрывают (заметают) поверхности, называемые мировыми листами. Отметим, что поверхность мирового листа гладкая. Из этого следует одно важное свойство струнной теории – в ней нет ряда бесконечностей, присущих квантовой теории поля с точечными частицами.
Струны имеют определённую устойчивую форму колебаний – моды, которые обеспечивают частице, соответствующей данной моде, такие характеристики, как масса, спин, заряд и другие квантовые числа. Это и есть окончательное объединение – все частицы могут быть описаны через один объект – струну. Таким образом, теория суперструн связывает все фундаментальные взаимодействия и элементарные частицы между собой способом, похожим на тот, которым скрипичная струна позволяет дать единое описание всех тонов – зажимая по-разному скрипичные струны, можно извлекать самые разные звуки.
Простейшее струнное взаимодействие, описывающее процесс превращения двух замкнутых струн в одну, можно представлять в виде устоявшейся аналогии – обычных брюк, форму которых приобретают их мировые листы. В этом случае штанины символизируют сближающиеся струны, сливающиеся в одну в районе верхней части брюк. Соединим два простейших струнных взаимодействия между собой (склеим двое брюк в районе пояса) и получим процесс, в котором две замкнутые струны взаимодействуют через объединение в промежуточную замкнутую струну, которая потом опять распадается на две, но уже другие. В струнной теории, в частности, существует замкнутая струна, соответствующая гравитону.
Одной из особенностей теории является то, что она естественно и неизбежно включает в себя гравитацию как одно из фундаментальных взаимодействий. Суперструны существуют в 10-мерном пространстве-времени, в то время, как мы живём в 4-мерном.
И если суперструны описывают нашу Вселенную, нам необходимо связать эти два пространства. Для этого обычно сворачивают 6 дополнительных измерений до 10-33 см. Из-за малости этого расстояния оно становится абсолютно незаметным для всех современных ускорителей элементарных частиц. В конечном итоге мы получим привычное 4-мерное пространство, каждой точке которого отвечает крохотное 6-мерное пространство, так называемое Калаби-Яу. У струн есть ещё одно замечательное свойство – они могут «наматываться» на компактное измерение. Это приводит к появлению так называемых оборотных мод в спектре масс. Лёгкость оборотных мод позволяет интерпретировать их как наблюдаемые нами элементарные частицы.
Величайший парадокс теории суперструн заключается в том, что она сама по себе не едина. Можно выделить 5 различных согласованных суперструнных теорий, известных как: тип I, тип IIА, тип IIВ, SO(32) и Е8 х Е8. В начале последнего десятилетия ХХ века одним из принципиальных вопросов теоретической физики был вопрос выбора той или иной струнной теории качестве кандидата на роль Единой теории.
В решении этого фундаментального вопроса в последние годы был достигнут значительный прогресс. Оказалось, что все известные теории суперструн связаны между собой преобразованиями дуальности, открытыми в 1995 году. Дуальность теорий – это их существенное различие в деталях, но опись одной и той же физической реальности. На основе анализа взаимосвязи разных теорий выдвинута гипотеза, согласно которой все известные теории суперструн являются предельными случаями некоей фундаментальной М-теории.
Эта теория живёт в 11-мерном пространстве-времени и на больших расстояниях описывает 11-мерную супергравитацию. С открытием дуальности связана третья струнная революция. Первая струнная революция была вызвана изучением амплитуд рассеяния. Вторая струнная революция связана с открытием Грином и Шварцем суперсимметрии.
Суперсимметрия – это симметрия между бозонами и фермионами. Фермионы и бозоны оказываются связанными через эту симметрию и должен быть суперпартнёр в «противоположном лагере».