Великого объединения модели

ВЕЛИКОГО ОБЪЕДИНЕНИЯ МОДЕЛИ - теоретич. модели, единым образом описывающие сильное, эл.-магн. и слабое взаимодействия элементарных частиц. Согласно совр. представлениям, эти три вида взаимодействий между частицами осуществляются за счёт испускания и поглощения ими частиц - переносчиков взаимодействия (т. н. промежуточных бозонов). Хорошо известным примером таких частиц явл. кванты эл.-магн. поля - фотоны, обмен к-рыми обеспечивает эл.-магн. взаимодействие частиц, несущих электрич. заряды. Закон взаимодействия электрич. зарядов (закон Кулона) позволяет ввести абс. меру силы электрич. взаимодействия - безразмерную константу a_em, к-рую называют эл.-магн. константой связи или константой эл.-магн. взаимодействия. Для определения численного значения этой константы силу взаимодействия двух элементарных частиц, несущих единичный электрич. заряд (напр., двух электронов или двух протонов), следует умножить на квадрат расстояния r² между зарядами и разделить на . Полученная величина не зависит от расстояния в пределе, когда расстояние велико по сравнению с комптоновской длиной волны электрона см. Величина a_em явл. безразмерной, т. е. не зависит от системы единиц, в к-рых выражены физ. величины, определяющие эл.-магн. взаимодействие. Экспериментальные определения дали значение a_em 1/137.

Аналогично эл.-магн. взаимодействию, слабое взаимодействие также осуществляется промежуточными бозонами, но уже не одним, а тремя: W⁺, W^- и Z⁰. Слабое взаимодействие тоже обусловлено существованием специфического заряда, силу взаимодействия таких зарядов можно охарактеризовать безразмерной константой a_w, к-рая близка по величине к a_em. Расстояния, на к-рых промежуточные бозоны могут осуществлять взаимодействие, обратно пропорциональны их массам. Т. к. силы эл.-магн. взаимодействия F медленно спадают с расстоянием r, так что F ^. r² стремится к const0 при r, то говорят, что радиус действия эл.-магн. сил бесконечен. Это эквивалентно утверждению, что масса фотона равна нулю. В отличие от фотона промежуточные бозоны слабого взаимодействия довольно массивны, примерно в 100 раз массивней протона (в энергетич. единицах их масса покоя 80-100 ГэВ). Этим объясняется малый радиус действия сил слабого взаимодействия, примерно равный комптоновской длине волны W-бозонов (~10^-16 см), и малая вероятность обусловленных им процессов микромира. Однако в остальном св-ва W⁺ - и Z⁰-бoзонов схожи со св-вами фотонов, так что на очень малых расстояниях (r < 10^-16 см) или при больших энергиях (>100 ГэВ), когда частицы W⁺ и Z⁰ могут свободно рождаться, обмен W⁺ -и Z⁰-бозонами осуществляется столь же легко, как и обмен безмассовыми частицами. В этих условиях должна существовать полная симметрия между эл.-магн. и слабым взаимодействиями. Эти взаимодействия, имеющие, по-существу, единую природу, называют часто электрослабыми взаимодействиями. Электрослабые взаимодействия характеризуются двумя независимыми константами a₁ и a₂, к-рые близки но порядку величины. Константы a_em и a_w можно линейно выразить через a₁ и a₂. Существование W - и Z⁰-бозонов доказано экспериментально (1983 г.). Причём их массы [m_w (81+2) ГэВ, m_z0 (932) ГэВ в энергетич. единицах] совпали со значениями, предсказанными теорией.

Согласно совр. теории, сильные взаимодействия обусловлены обменом ещё одним типом промежуточных бозонов - глюонами. Глюоны, как и кварки, к-рые обмениваются глюонами, обладают т. н. цветовыми зарядами. Существует три типа цветовых зарядов и восемь видов глюонов. Силу цветового взаимодействия характеризуют константой a_с, она приблизительно на порядок величины превышает a_em.

Из квантовой электродинамики известно, что a_em не явл. постоянной величиной, а меняется при изменении расстояния между взаимодействующими частицами. Дело в том, что каждая частица (электрон, протон и др.) явл. "одетой" - окружённой облаком (или "шубой") т. н. виртуальных частиц, к-рые на короткое время рождаются из вакуума и поглощаются вновь. Электрон, напр., окружён виртуальными электрон - позитронными парами и взаимодействует с ними: отталкивает виртуальные электроны и притягивает виртуальные позитроны. В результате вокруг электрона находятся преимущественно положительные заряды, к-рые частично экранируют заряд электрона. По мере проникновения в глубь облака положительно заряженных виртуальных частиц их экранирующее действие должно уменьшаться, а эффективный заряд электрона расти. Следовательно, величина a_em зависит от расстояния. Экранирующее действие виртуальных зарядов перестает действовать при r > l_e, поэтому при r >> l_e величина a_em приобретает постоянное значение 1/137. При r < l_e значение a на расстоянии r² связано со значением на расстоянии r¹ выражением

Зависимость a(r) имеет медленный, логарифмический характер. Обычно ф-цню a(r) изучают в зависимости не от r, а от энергии взаимодействующих частиц e: чем выше e, тем меньше расстояния, на к-рые частицы могут сближаться (r ~ 1/e). Значение и знак постоянной b в ф-ле (1) зависят от характера взаимодействия. Знак b может быть как положительным, что отвечает увеличению заряда с уменьшением расстояния (экранировка), так и отрицательным, что отвечает уменьшению заряда при уменьшении расстояния (антиэкранировка). Второй случай возможен тогда, когда сами переносчики взаимодействия (аналоги фотонов) явл. заряженными и взаимодействуют друг с другом. Как раз такой случай рассматривает теория сильного взаимодействия (глюоны несут цветовой заряд), поэтому цветовой заряд и a_c убывают с ростом энергии (с уменьшением расстояния между частицами). Что касается констант элсктрослабого взаимодействия, то одна из них также уменьшается с энергией, а другая, напротив, растёт. Удивителен факт, что все три константы (a₁, a₂, a_c) становятся равными друг другу при одной н той же энергии. Эта энергия наз. энергией объединения. По масштабам микромира она чрезвычайно велика (e_об ~10¹⁴-10¹⁵ ГэВ). При e > e_об (или на расстояниях см) сильные и электрослабые взаимодействия описываются единой константой, т. е. имеют общую природу. Модели, единым образом описывающие все фундаментальные взаимодействия, наз. моделями великого объединения. Существуют также теоретнч. схемы, в рамках к-рых объединяются все известные типы взаимодействий, т. е. к эл.-магн., слабому п сильному взаимодействиям добавляется ещё гравитация. Их наз. схемами супергравитации.

В. о. м. имеют дело с энергией частиц ~10¹⁴ ГэВ и выше. Едва ли можно надеяться, что когда-нибудь в эксперименте удастся получить частицы столь высоких энергий. Тем не менее сам принцип единого объяснения всех трёх типов взаимодействии несомненно важен для познания окружающего нас мира. Более того, В. о. м. позволяют теоретически обосновать ряд важнейших экспериментальных фактов (напр., квантование электрич. заряда) и предсказать возможность физ. процессов (в частности, возможность распада протона), существенно влияющих на св-ва Вселенной.

Одно из важных следствии В. о. м.- несохранение барионного числа (барионного заряда, см. Заряд, Барионная асимметрия Вселенной). Дело в том, что при ГэВ кварки, обладающие барионным зарядом, и лептоны (электрон, мюонн др.), таковым зарядом не обладающие, фактически не отличимы друг от друга. В едином описании взаимодействий неизбежно приходится рассматривать превращения одних частиц в другие, при к-рых меняются квантовые числа частиц (цвет, аромат) и лептоны превращаются в кварки и антикварки. Такие превращения связывают с существованием сверхтяжёлых промежуточных бозонов X н Y, обмен к-рыми должен приводить к переходам кварков в лептоны или кварков в антикваркн, т. е. к процессам несохранения барионного (а также и лептонного) числа. К такого рода процессам относится, в частности, распад протона по каналам рp⁰ + е⁺е⁺ + 2g и рp⁺ + n. Из В. о. м. следует, что вероятность протонного распада определяется фактором (m_p/m_X] 10^-60, т. е. вероятность рождения Х- или Y-бозона в "недрах" протона чрезвычайно мала. Экспериментальное обнаружение распада протона могло бы стать веским доводом в пользу В. о. м. и существования X- и Y- бозонов. Пока эксперименты лишь показали, что время жизни протона t_p>10³¹ лет, а это значит, что массы Х- и Y-бозонов очень велики (на много порядков больше массы W⁺ - и Z⁰-бозонов) и процессы с их участием обладают крайне малой вероятностью. Если это действительно так, то единственным совр. аргументом в пользу предсказываемого В. о. м. несохранении барионного заряда явл. наблюдаемая барионная асимметрия Вселенной.

Ряд В. о. м. предсказывает осцилляции (переходы) нейтрон-антинейтрон, а также наличие у нейтрино v массы покоя и существование нейтринных осцилляции (т. е. пернодич. превращений одного вида нейтрино в другой, напр. ). Однако в целом космология оказывается чуть ли не осн. областью применения и проверки В. о. м. Так, без В. о. м. невозможно описать раннюю стадию эволюции Вселенной, когда темп-pa первичной плазмы превосходила 10²⁷ К и могли рождаться и аннигилировать сверхтяжёлые бозоны (X и Y). Ряд выводов В. о. м. можно проверить, сопоставляя теоретич. предсказания с совр. астрономнч. данными, напр, с совр. отношением концентраций барионов и реликтовых фотонов во Вселенной.

Из В. о. м. вытекает возможность специфических фазовых переходов в первичной плазме при её охлаждении. Эти переходы похожи на фазовые переходы 1-го и 2-го рода: на кристаллизацию и появление спонтанной намагниченности у ферромагнетика при его охлаждении ниже точки Кюри. В результате таких переходов могли появиться особые, не наблюдавшиеся до сих нор объекты Вселенной с колоссальной плотностью энергии. Напр., если существует более одного состояния материи с миним. энергией (т. е. вакуумного состояния), то при охлаждении первичной плазмы могла возникнуть т. н. доменная структура вакуума, когда области с различными состояниями вакуума отделены друг от друга доменными стенками - относительно тонкими образованиями с очень большой плотностью энергии. Если вакуумные состояния могут переходить друг в друга непрерывно (без скачков от домена к домену), то в таком варианте теория предсказывает существование во Вселенной длинных тонких объектов - "струн" также с большой плотностью энергии. Данные астрономич. наблюдений (обнаружение доменных стенок или "струн" или отсутствие этих образований во Вселенной) могли бы подтвердить развиваемые модели или наложить на них существенные ограничения.

Во Вселенной не обязательно должны быть доменные стенки и "струны", но, по-видимому, неизбежным следствием всех вариантов В. о. м. оказывается существование частицы, обладающей элементарным магн. зарядом (её наз. магнитным монополем). Возможное существование в природе магн. монополей представляет значит. трудности для В. о. м., т. к. предсказываемая теорией концентрация монополей выходит далеко за рамкн ограничений, накладываемых наблюдениями. В нек-рых вариантах В. о. м. возможны фазовые переходы 1-го рода, когда Вселенная переходит в энергетически более выгодные состояния с сильной задержкой во времени (известный аналог - переохлаждённая жидкость). При такой задержке Вселенная может находиться в метастабильном состоянии, когда вакуум имеет ненулевую плотность энергии н эта величина определяет характер расширения мира. Затем в конце концов происходит фазовый переход в вакуумное состояние с нулевой энергией, а освобождённая энергия переходит в энергию рождённых при фазовом переходе элементарных частиц. В таком сценарии эволюции Вселенной в принципе могут быть решены известная космологич. проблема близости ср. плотности вещества во Вселенной к критической, проблемы горизонта Вселенной, изотропии и однородности Вселенной (см. Космология). Кроме того, предсказывается концентрация реликтовых магн. монополей, не противоречащая ограничению, накладываемому наблюдениями. Такую космологич. модель наз. моделью раздувающейся Вселенной или моделью инфляционной Вселенной. Все же пока ни один из вариантов инфляционной модели не оказался вполне удовлетворительным. Возможно, имеющиеся трудности удастся преодолеть, если будет найдена истинная модель великого объединения.

Лит.:
Зельдович Я. Б., Теория вакуума, быть может, решает загадку космологии, "УФН", 1981, т. 133, в. 3, с. 479;
Джорджи X., Единая теория элементарных частиц и сил, "УФН", 1982, т. 136, в. 2, с. 286;
Окунь Л. Б., Лептоны н кварки, М., 1981.

(А.Д. Долгов, М.Ю. Хлопов)