Очарование физики - Глэшоу Ш.Л.
ISBN 5-93972-151-6
Скачать (прямая ссылка):
Объединенная теория взаимодействий элементарных частиц
ра, но для вас, находящегося внутри кубика, вращательная симметрия законов физики не была бы столь очевидна. Вращательная симметрия спонтанно нарушилась вашей средой обитания — кристаллом соли.
Релятивистский квантово-механический вакуум, в котором живем все мы, напоминает тот самый кристалл соли. Симметрия, нарушенная спонтанно, является не вращательной инвариантностью, а калибровочной, которая, будучи ненарушенной, сделала бы W+, W~ и W0 взаимозаменяемыми и безмассовыми. Вакуум же выбирает направление в этом «калибровочном пространстве» такое, что выделяется направление W0. В этом процессе W+, и Z0 (частная комбинация W0 и V0, помните?) приобретают массу, а фотон остается безмассовым, потому что вакуум не нарушает электромагнитную калибровочную инвариантность.
Калибровочная теория слабых и электромагнитных взаимодействий со спонтанно нарушенной SU(2) х ?/(1)-симметрией была разработана в шестидесятые годы двадцатого века Глэшоу в Копенгагене (теперь я работаю в Гарварде), Стивеном Вайнбергом в МТИ (теперь он тоже работает в Гарварде) и Абдусом Саламом в Имперском колледже (Лондон) и Международном центре по теоретической физике в Триесте. Глэшоу разработал общий вид калибровочной теории, но не знал, как придать массу W и Z. Вайнберг и Салам разработали эффект спонтанного нарушения симметрии (используя механизм, ранее придуманный Питером Хиггсом в Эдинбургском университете и Т. В. Б. Кибблом в Имперском колледже) и создали согласованную теорию. За эту работу в 1979 году Глэшоу, Салам и Вайнберг получили Нобелевскую премию по физике.
Существует еще один аспект спонтанного нарушения калибровочной симметрии, который может быть понят при использовании в качестве аналога кристалла. Это «зернистость». Как ни крути, а кристалл соли является зернистым в атомном масштабе IO-8 см. Живя внутри этого кристалла, вы могли бы без труда различить три различных диапазона расстояний, связанных с разными разделами физики:
• Расстояния, намного меньшие IO-8 см. Если вы проводите эксперимент, зондирующий структуру вашего мира на расстояниях, намного меньших, чем IO-8, то факт вашего проживания в кристалле не имеет особенно большого значения. Вы обнаружите, что результаты вашего эксперимента будут приблизительно вращательно-инва-риантны. Так происходит потому, что неоднородные электрические поля, нарушающие вращательную инвариантность кристалла, очень слабы по сравнению с теми видами полей, которыми вы располагаете для зондирования субатомных расстояний. Как только вы попадаете внутрь атома, важными становятся именно составляющие атома, а не то, как атом соединяется с другими атомами, образующими кристалл. 253 Объединенная теория взаимодействий элементарных частиц
• Расстояния порядка 10 8 см. Здесь вы увидите все сложные межатомные силы, которые отвечают за объединение атомов в кристалл.
• Расстояния, гораздо большие 10~8 см. Здесь вы сможете наблюдать кубическую структуру кристалла; в этом масштабе невозможно увидеть вращательную инвариантность. Все, что остается, — это дискретная группа симметрии, связанная с кристаллической структурой.
Точно так же, как кристалл является зернистым в атомном масштабе, вакуум является зернистым в более маленьком масштабе, порядка IO-16 см, связанном со спонтанным нарушением SU(2) х [/(^-симметрии. И опять мы можем выделить три различных области с разным масштабом:
• Расстояния, гораздо меньшие, чем 10~16 см. Здесь вы увидите SU(2) X [/(І)-калибровочную структуру мира как явную (хотя и приблизительную) симметрию. На столь малых расстояниях массы W+, W~ и Z0 (которые примерно равны 100 ГэВ) пренебрежимо малы по сравнению с энергиями, которые необходимы для проведения этого эксперимента. (Чтобы добраться до Ax ~ 10~18 см, необходима энергия, равная IO4 ГэВ.) Таким образом, можно пренебречь тем, что W и Z0 имеют массы, а фотон — нет. Все частицы очень легки по сравнению с энергией эксперимента.
• Расстояния порядка IO-16 см. Здесь ваша жизнь весьма и весьма усложнится. Вы увидите раздел физики, который отвечает за спонтанное нарушение SU(2) х [/(І)-симметрии. Частицы W и Z0 покажутся в ваших экспериментах, но они будут отличаться от фотонов, потому что их энергии покоя не настолько малы по сравнению с энергиями ваших зондов.
• Расстояния, гораздо большие, чем 10~16 см. Здесь вы вообще не увидите SU(2) x U( 1)-калибровочной симметрии. Вы даже прямо не увидите ни W, ни Z0. У вас просто нет зонда с энергией, достаточно высокой для их создания. Вы увидите ненарушенную электромагнитную калибровочную инвариантность. Но более тяжелые калибровочные частицы покажутся только в слабых взаимодействиях короткого радиуса, вызванных их виртуальным обменом. Эти взаимодействия вряд ли были бы заметны, если бы не делали того, на что не способны сильные и электромагнитные взаимодействия. W+- и ГК~-обмены изменяют частицы. Они появляются при бета-распаде, ^-обмены создают взаимодействия нейтральных токов нейтрино. И все они нарушают симметрию четности, потому 254
