Элементарные частицы
язанных с ними квантовых чисел Э. ч. (см. Сохранения законы).
Точная симметрия, имеющая место для всех классов взаимодействий, отвечает
наличию у Э. ч. точных квантовых чисел; приближённая симметрия, характерная
лишь для некоторых классов взаимодействий (сильных, электромагнитных),
приводит к неточным квантовым числам. Отмечавшееся выше различие классов
взаимодействий в отношении сохранения квантовых чисел Э. ч. отражает
различия в свойствах их симметрии.
Известная форма Lвзэл. м. для электромагнитных взаимодействий есть
следствие существования очевидной симметрии лагранжиана L относительно
умножения комплексных полей j заряженных частиц, входящих в него в
комбинациях типа j*j (здесь * означает комплексное сопряжение), на
множитель eia, где a - произвольное действительное число. Эта симметрия, с
одной стороны, порождает закон сохранения электрического заряда, с другой
стороны, если требовать выполнения симметрии при условии, что a произвольно
зависит от точки х пространства-времени, однозначно приводит к лагранжиану
взаимодействия:
Lвзэл. м. = jmэл. м. (x) Am (x) (1)
где jmэл. м. - четырёхмерный электромагнитный ток (см. Электромагнитные
взаимодействия). Как выяснилось, этот результат имеет общее значение. Во
всех случаях, когда взаимодействия проявляют "внутреннюю" симметрию, т. е.
лагранжиан инвариантен относительно преобразований "внутреннего
пространства", а у Э. ч. возникают соответствующие квантовые числа, следует
требовать, чтобы инвариантность имела место при любой зависимости
параметров преобразования от точки х (т. н. локальная калибровочная
инвариантность; Ян Чжэнь-нин, американский физик Р. Миллс, 1954). Физически
это требование связано с тем, что взаимодействие не может мгновенно
передаваться от точки к точке. Указанное условие удовлетворяется, когда
среди полей, входящих в лагранжиан, присутствуют векторные поля (аналоги Am
(x)), изменяющиеся при преобразованиях "внутренней" симметрии и
взаимодействующие с полями частиц вполне определённым образом, а именно:
Lвз = еr=1n jmr (x) Vmr (x), (2)
где jmr (x) - токи, составленные из полей частиц, Vmr (x) - векторные поля,
называются часто калибровочными полями. Т. о., требование локальности
"внутренней" симметрии фиксирует форму Lвз и выделяет векторные поля как
универсальные переносчики взаимодействий. Свойства векторных полей и их
число "n" определяются свойствами группы "внутренней" симметрии. Если
симметрия точная, то масса кванта поля Vmr равна 0. Для приближенной
симметрии масса кванта векторного поля отлична от нуля. Вид тока jmr
определяется полями частиц с ненулевыми квантовыми числами, связанными с
группой "внутренней" симметрии.
На основании изложенных принципов оказалось возможным подойти к вопросу о
взаимодействии кварков в нуклоне. Эксперименты по рассеянию нейтрино и
антинейтрино на нуклоне показали, что импульс нуклона лишь частично
(примерно на 50%) переносится кварками, а остальная его часть переносится
другим видом материи, которая не взаимодействует с нейтрино.
Предположительно эта часть материи состоит из частиц, которыми обмениваются
кварки и за счёт которых они удерживаются в нуклоне. Эти частицы получили
название "глюонов" (от английского glue - клей). С изложенной выше точки
зрения на взаимодействия эти частицы естественно считать векторными. В
современной теории их существование связывается с симметрией,
обусловливающей появление "цвета" у кварков. Если эта симметрия точная
(цветная SU (3)-симметрия), то глюоны - безмассовые частицы и их число
равно восьми (американский физик И. Намбу, 1966). Взаимодействие кварков с
глюонами даётся Lвз со структурой (2), где ток jmr составлен из полей
кварков. Имеется и основание предполагать, что взаимодействие кварков,
обусловленное обменом безмассовыми глюонами, приводит к силам между
кварками, не убывающим с расстоянием, но строго это не доказано.
Принципиально знание взаимодействия между кварками могло бы явиться основой
для описания взаимодействия всех адронов между собой, т. е. всех сильных
взаимодействий. Это направление в физике адронов быстро развивается.
Использование принципа определяющей роли симметрии (в т. ч. приближённой) в
формировании структуры взаимодействия позволило также продвинуться в
понимании природы лагранжиана слабых взаимодействий. Одновременно была
вскрыта глубокая внутренняя связь слабых и электромагнитных взаимодействий.
В указанном подходе наличие пар лептонов с одинаковым лептонным зарядом: е-
, ve и m-, vm, но различными массами и электрическими зарядами
расценивается не как случайное, а как отражающее существование нарушенной
симметрии типа изотонической (группа SU (2)). Применение принципа
локальности к этой "внутренней" симметрии приводит к характерному
лагранжиану (2), в котором одновременно возникают члены, ответственные за
электромагнитное и слабое взаимодействия (американский физик С. Вайнберг,
1967; А. Салам, 1968):
Lвз = jmэл. м. + Am + jmсл. з. Wm+ + jmсл. з. Wm- + jmсл. н. Zm0 (3)
Здесь jmсл. з., jmсл. н. - заряженный и нейтральный токи слабых
взаимодействий, построенные из полей лептонов, Wm+, Wm-, Zm0 - поля
массивных (из-за нарушенности симметрии) векторных частиц, которые в этой
схеме являются переносчиками слабых взаимодействий (т. н. промежуточные
бозоны), Am - поле фотона. Идея существования заряженного промежуточного
бозона была выдвинута давно (Х. Юкава, 1935). Важно, однако, что в данной
модели единой теории электрон магнитного и слабого взаимодействий
заряженный промежуточный бозон появляется на равной основе с фотоном и
нейтральным промежуточным бозоном. Процессы слабых взаимодействий,
обусловленные нейтральными токами, были обнаружены в 1973, что подтверждает
правильность только что изложенного подхода к формулировке динамики слабых
взаимодействий. Возможны и другие варианты написания лагранжиана Lвзсл с
большим числом нейтральных и заряженных промежуточных бозонов; для
окончательного выбора лагранжиана экспериментальных данных ещё
недостаточно.
Экспериментально промежуточные бозоны пока не обнаружены. Из имеющихся
данных массы W± и Z0 для модели Вайнберга - Салама оцениваются примерно в
60 и 80 Гэв.
Электромагнитное и слабое взаимодействия кварков можно описать в рамках
модели, аналогичной модели Вайнберга - Салама. Рассмотрение на этой основе
электромагнитных и слабых взаимодействий адронов даёт хорошее соответствие
наблюдаемым данным. Общей проблемой при построении таких моделей является
неизвестное пока полное число кварков и лептонов, что не позволяет
определить тип исходной симметрии и характер её нарушения. Поэтому очень
важны дальнейшие экспериментальные исследования.
Единое происхождение электромагнитных и слабых взаимодействий означает, что
в теории исчезает как независимый параметр константа слабых взаимодействий.
Единственной константой остаётся электрический заряд е. Подавленность
слабых процессов при небольших энергиях объясняется большой массой
промежуточных бозонов. При энергиях в системе центра масс, сравнимых с
массами промежуточных бозонов, эффекты электромагнитных и слабых
взаимодействий должны быть одного порядка. Последние, однако, будут
отличаться несохранением ряда квантовых чисел (P, Y, Ch и т. д.).
Имеются попытки рассмотреть на единой основе не только электромагнитные и
слабые, но также и сильные взаимодействия. Исходным для таких попыток
является предположение об единой природе всех видов взаимодействий Э. ч.
(без гравитационного). Наблюдаемые сильные различия между взаимодействиями
считаются обусловленными значительным нарушением симметрии. Эти попытки ещё
недостаточно разработаны и сталкиваются с серьёзными трудностями, в
частности в объяснении различий свойств кварков и лептонов.
Развитие метода получения лагранжиана взаимодействия, основанного на
использовании свойств симметрии, явилось важным шагом на пути, ведущем к
динамической теории Э. ч. Есть все основания думать, что калибровочные
теории поля явятся существенным составным элементом дальнейших
теоретических построений.
Заключение
Некоторые общие проблемы теории элементарных частиц. Новейшее развитие
физики Э. ч. явно выделяет из всех Э. ч. группу частиц, которые
существенным образом определяют специфику процессов микромира. Эти частицы
- возможные кандидаты на роль истинно Э. ч. К их числу принадлежат: частицы
со спином 1/2 - лептоны и кварки, а также частицы со спином 1 - глюоны,
фотон, массивные промежуточные бозоны, осуществляющие разные виды
взаимодействий частиц со спином 1/2. В эту группу скорее всего следует
также включить частицу со спином 2 - гравитон; квант гравитационного поля,
связывающий все Э. ч. В этой схеме многие вопросы, однако, требуют
дальнейшего исследования. Неизвестно, каково полное число лептонов, кварков
и различных векторных (с J = 1) частиц и существуют ли физические принципы,
определяющие это число. Неясны причины деления частиц со спином 1/2 на 2
различные группы: лептоны и кварки. Неясно происхождение внутренних
квантовых чисел лептонов и кварков (L, В, 1, Y, Ch) и такой характеристики
кварков и глюонов, как "цвет". С какими степенями свободы связаны
внутренние квантовые числа? С обычным четырёхмерным пространством-временем
связаны только такие характеристики Э. ч., как J и Р. Какой механизм
определяет массы истинно Э. ч.? Чем обусловлено наличие у Э. ч. различных
классов взаимодействий с различными свойствами симметрии? Эти и другие
вопросы предстоит решить будущей теории Э. ч.
Описание взаимодействий Э. ч., как отмечалось, связано с калибровочными
теориями поля. Эти теории имеют развитый математический аппарат, который
позволяет производить расчёты процессов с Э. ч. (по крайней мере
принципиально) на том же уровне строгости, как и в квантовой
электродинамике. Но в настоящем своём виде калибровочные теории поля
обла
| |  скачать работу |
Элементарные частицы |
