combinând interacțiuni

18. Interacțiuni Combinarea

Ideea modernă de a combina diferite interacțiuni provin din lucrarea lui Isaac Newton. Newton a descoperit o simplă lege, potrivit căreia forța între două corpuri masive este proporțională cu masele m1 lor. m2 și invers proporțională cu pătratul distanța r dintre ele:

în cazul în care G este -gravitatsionnaya constanta lui Newton. Cu ajutorul acestei legi, el a fost în măsură să calculeze modul în care legile organismelor care se încadrează, în concordanță cu observațiile lui Galileo, și legile mișcării planetelor, stabilite anterior de J. Kepler. Deci, cu ajutorul legii a fost primul pentru a descrie fenomenele de solzi terestre și spațiale.

Fig. 18.1. Etapele de interacțiuni

Următorul pas în unificarea interacțiunilor a fost făcută de John. Maxwell, care a arătat că electricitatea, magnetismul și lumina poate fi descris ca un sistem de ecuații diferențiale care ii poarta numele. ecuația lui Maxwell în sistemul Gaussian de unități sunt de forma

unde E - câmp electric, H - câmp magnetic, D - electrice de inducție, B - inducția magnetică, ρ - densitatea sarcinii electrice, j - densitatea curentului,

ε0 - constanta dielectrică a medie, μ0 - permeabilitatea magnetică a mediului. În vid c = (ε0 μ0) -1/2.
Una dintre prioritățile fizica particulelor elementare la etapa inițială a fost de a determina modelele de diferite tipuri de interacțiuni. Sa dovedit că există doar patru tipuri de interacțiuni fundamentale: puternice, electromagnetice, slabe și gravitaționale, cu care pot descrie toate interacțiunile cunoscute în natură.
Electromagnetică, și interacțiuni puternice pot fi descrise prin schimbul cuantic de domenii relevante - fotoni și gluoni. Fotonii și gluonii sunt bosoni gauge și câmpuri electromagnetice puternice.
Una dintre cele mai importante diferențe dintre interacțiunile electromagnetice și puternice este că interferența electromagnetică are două tipuri de sarcină - pozitive și negative, în timp ce interacțiuni puternice - trei culori. Numărul cuantic descrie culoarea tuturor particulelor care interacționează puternic. Teoria puternică interacțiune pentru a descrie interacțiunea dintre particulele colorate necesită 8 tipuri gluoni. O altă diferență importantă între interacțiunile puternice și electromagnetice este faptul că gluonii sunt ele însele numărul de culoare kantovye, în timp ce un foton - o particulă neutră electric. Această distincție are implicații importante, ceea ce duce la fenomene, cum ar fi libertatea asimptotică și lăuzie. La distanțe mici, interacțiuni puternice devin mai slabe (libertatea asimptotică), ci asupra quark îndepărtarea de o distanță în afară mai mare de 10 -13 cm lor crește conectare (confinare). În ciuda faptului că toate particulele care interacționează puternic sunt descrise pe baza modelului quarc, nimeni nu a privit quarcii liber izolate.
Ipoteza că interacțiunea slabă se datorează și schimbul unei particule încărcate a fost împins înapoi în anii treizeci ai secolului XX. Finalizarea acestei idei a fost în cadrul teoriei unificate, dezvoltată în lucrările lui S. Weinberg, Salam si Glashow - modelul electroslabe care leagă interacțiunile electromagnetice și slabe,
In 1934, E. Fermi teoria creată proces β-dezintegrare în care slab β-dezintegrare a patru puncte a fost privit ca interacțiunea descrisă prin utilizarea constantelor Fermi

au descoperit în curând, și alte procese ale dezintegrări slabe, care sunt, de asemenea, bine descrise printr-o constantă Fermi. Diferența mare în particule X probabilitate de degradare ca urmare a interacțiunii slabe se datorează diferenței de energie AE eliberat ca urmare a cariilor slabe

In 1967 G. Sh. Gleshou, Weinberg, A. Salam propus de model, care combină interacțiuni slabe și electromagnetice. Baza acestui model a fost prezis patru bosonii cu centrifugare J = 1, condițiile de simetrie interconectate. 3 boson W +. W - și Z 0. având o masă mare, implementată interacțiunea slabă și un boson având greutate zero, - γ-cuantică, interacțiunea electromagnetică implementată. Greutăți bosoni grele a apărut ca rezultat al interacțiunii cu câmpul Higgs.
boson Mass W definește relația adimensional slaba interacțiune constantă cu GF gw Fermi constantă. Toate procesele slabe pentru a crea modelul de interacțiune electroslab descris prin intermediul încărcat bosoni W +. W - .Slabye procesele care au loc sub influența bosonii W ± încărcate, numite procese, ajungând printr-un curent încărcat. In Weinberg - Salam -Gleshou, împreună cu bosonii încărcate trebuie să fie una mai grea bozonici neutru Z 0. procese slabe care au loc sub influența neutru Z 0 boson, numit procese prin curentul ce decurg neutru. Reacțiile sub neutrini miuonici prin bozonilor încărcate și neutre prezentate în Fig. 18,2, 18,3.

Fiecare interacțiune este caracterizată printr-o interacțiune αi constantă. determină puterea. Cu toate acestea, studiul interacțiunii cu energiile ce în ce mai mari a arătat că constantele de cuplare αi nu sunt constante, dar depind de energie.
Reducerea puternice de cuplare aS constant cu creșterea energiei - o consecință a antiscreening puternice (de culoare) a încărcăturii, ceea ce duce la o libertate asimptotică. Antiscreening deține, de asemenea, pentru taxa slabă și αw scade c creșterea energiei. Αe constanta de cuplaj electromagnetic creste de screening cu creșterea energiei. Cel mai dramatic cu energia puternice de interacțiune schimbări constante. Constantele de cuplare ale inversului, adică 1 / αi. Conform teoriei depinde de log-energie și corespunde modelului standard prezice dependență prezentat în Fig. 18.4.

Fig. 18.4. Dependența inversului interacțiunilor constante de energie.

Din această figură se vede că diferitele interacțiuni constante, foarte diferite la energii joase, cu creșterea energiei converg la energii 15 octombrie -10 16 GeV la valoarea totală

Aceasta se bazează pe speranța de a crea o teorie care combină interacțiunile puternice, electromagnetice și slabe. Conceptul de combinarea acestor trei interacțiuni se numește Asociația Marii Uniri -Grand (GU).
Modelul electroslaba, unind interacțiunile electromagnetice și slabe - doar o parte a programului Marii Uniri.

1967 S. Weinberg, A. Salam, Glashow a creat un model al interacțiunii electroslab

Sheldon Glashow
(P. 1932)

Stiven Vaynberg
(P. 1933)

Premiul Nobel pentru Fizică

1979 - S. Weinberg, A. Salam, Glashow. Pentru contribuția combinată la teoria celor slabi și interacțiunea electromagnetică dintre particulele elementare, care cuprinde inclusiv predicția curentului neutru slab.

Glashow, Abdus Salam, S.Vaynberg la decernarea Premiului Nobel (1979)

Fig. 18.4 dependență 1 / αe este dată cu un coeficient de 3/8. Apariția acestui factor este asociat cu θw conceptul unghiului Weinberg (este numit, de asemenea, unghiul de amestecare slab). Acest unghi poate fi determinată prin raportul de sarcini electrice elementare și slabe

sinθw. ca constantele de cuplare variază în funcție de energie. obținut din experimentul că energia mz c 2 = 91 Valoarea GeV Unghi Weinberg

2 păcat θw = 0,231 (la E = 91 GeV).

Teoria Unified Grand (GUT) prezice că în presupusa asociație energetică (octombrie 15 -10 16 GeV) Unghi Weinberg va crește la o valoare determinată de relația

2 păcat θw = 3/8 (la E = 15 octombrie -10 16 GeV)

Multiplicare 1 / αe prin cantitatea de 3/8 oferă un „simultan“ lovit Constantele interacțiunile electromagnetice și slabe din regiunea energetică Grand Unified. Atunci când energia Grand Unified în loc de interacțiuni puternice și electroslabe apare o interacțiune unică. Există diferite versiuni ale teoriei Marii Uniri. Versiunea cea mai simplă este deținută de H. Georgi și Glashow (1974). Acesta se numește minim SU (5) modelul. Simbolul SU (5) este un grup special de simetrie cinci-dimensional unitar. fermioni fundamentale ale acestui model sunt deja cunoscute 6 cuarci și 6 leptoni. La cele patru bosonii fundamentale deja cunoscute (W, Z, γ gluon) a adăugat două noi - vectori bozonilor Association of oști X și Y, având de spin 1 și sarcinile electrice fracționare (respectiv + 4e / 3 și a + e / 3). Baryon taxa bosonul X-B (X) = 0. Astfel, un nou "set complet" de particule fundamentale

6 quarci, leptoni + 6 + 6 bosoni.

„Fizicienii au cautat mult timp pentru a crea o singură teorie fundamentală, care să unească toate forțele cunoscute. Clar pentru toată lumea că o astfel de teorie ar putea deschide natura relațiilor dintre aceste forțe, explicând în același timp, diferența lor evidentă. Această unificare nu a fost încă atins, dar, recent, există unele progrese. Acum forțele slabe și electromagnetice pot fi înțelese în cadrul teoriei unificate. Cu toate că aceste forțe sunt diferite, ele sunt matematic legate de teoria. Cu toate acestea, faptul că acum toate cele patru forțe sunt descrise de teoriile care sunt identice in structura, aceasta poate fi mai important în cele din urmă. Astfel, deși fizica încă nu se poate găsi o singură cheie pentru toate încuietorile cunoscute, cel puțin acum știm că toate cheile necesare pot fi realizate dintr-un singur butuc. Teoria in aceasta o clasă privilegiată este denumit oficial teoria ca non-abeliene cu simetrie locală. "

t G.“Hooft.
"Gauge teoria de forțe între particule elementare" Phys 135 479-512 (1981)

Gerardus t'Hooft
(P. 1946)

Gradul ridicat de simetrie este prezentat, în special în toate particulele cu energii> fără masă 15 octombrie GeV. Ca cuarci, X și Y-bosoni sunt pictate, și anume Ele sunt într-una din cele trei stări de culoare - roșu, verde sau albastru. Luând în considerare cele trei stări de culoare X și Y se bosoni și disponibilitatea antiparticula (foton, Z-bosonul și două gluonii cu antiparticula de particule de culoare ascunsa coincide cu) „set complet“ de bosoni fundamentale SU (5) Modelul include 24 de particule ( Tabel. 18.2).
Cea mai importantă proprietate a axele X și Y-bosoni este că acestea sunt implicate în procese care nu conservă taxele barionice și leptoni. Dezintegrează X și Y se bosoni apar în încălcarea legii de conservare a CP-paritate. Aceste bosoni, fiind purtătoare ale forțelor Marii Uniri, conectați quark cuarci și cuarci leptoni perechi (Fig. 18.5), care în același timp, încalcă legile conservării tarifelor barionice și leptoni.

Fig. 18.5. Exemple de diagrame cu X și Y-bosoni

Non-conservare a taxelor barionice și leptoni și violarea parității CP în reacțiile care implică axele X și Y-bosoni ar putea duce la asimetria observată de materie și antimaterie din univers. Ideea, explică relația dintre numărul de fotoni relicte nγ și numărul barionic Nb

A fost sugerat prima A. D. Saharovym. El a prezentat ideea unei posibile nonconservation a taxelor barionice și leptoni.

A. D. Saharov: „Teoria universului în expansiune, presupunând că starea inițială superdens a materiei, pare a exclude posibilitatea separării macroscopice de materie si antimaterie; Prin urmare, se presupune că în natură nu există nici un corp de antimaterie, și anume Universul este asimetrică în raport cu numărul de particule și anti-particule (C -asimmetriya). În special, antibaryons absență și presupusa lipsă neutrinii barionică necunoscut este responsabil barionic nenul (asimetrie nebarionică). Dorim să subliniem o posibilă explicație cu -asimmetrii în extinderea fierbinte model de univers care implica efectele de încălcare CP invarianță. Pentru a explica asimetria baryon își asumă în plus, natura aproximativă a legii de conservare a barioni.

Apariție -asimmetrii C conform ipotezei noastre este o consecință a tulburărilor invarianță CP sub procese nestaționare expansiune fierbinte univers pe o scenă superdens, care se manifestă în efectul diferenței de probabilitate a reacțiilor cuplate cu încărcare parțială. Acest efect nu a fost încă observată experimental, dar existența sa este, teoretic, de necontestat (primul exemplu concret - Decadenta Σ + și Σ - S. Okubo a fost enumerate în 1958) și ar trebui, în opinia noastră, au o importanță semnificativă cosmologică.
Ne referim la apariția asimetriei la etapele timpurii ale expansiunii, care corespunde cu densitatea particulelor, energia și entropia și constanta Hubble a temperaturii ordine unității în unități gravitaționale (particule de densitate n

10 98 cm -3. ε densitatea de energie

10114 erg / cm3 în unități convenționale) [*]“.

O valoare mare a raportului nγ / Nb explică anihilarea aproape completă a materiei și antimateriei în faza inițială de dezvoltare a universului. baryon Excesul de peste numărul estimat antibaryons a fost de 10 -9. Supraviețuitor în anihilarea barionii cont de observat, în prezent, materia din univers.
Proprietățile de dezintegrare ale X-bozonilor ar putea duce la asimetrie de materie-antimaterie din univers. Presupunem că, la temperaturi ridicate (T> 28 octombrie K) energiile corespunzătoare Grand Unified a fost inițial același număr de X și bosoni. Scriem principalele canale si bosoni X-dezintegreaza pentru a forma uu-cuarc și antiquarc perechea - pozitroni e +.

canale de dezintegrare X-bozonici.

Deoarece X și sunt particule și antiparticula, ca invarianta CPT, durata medie de viață a ei ar trebui să fie aceeași

Cu toate acestea, probabilitățile lor a și β poate varia în degradare. Rezultă că, dacă α> β excedentara a - β va duce la faptul că bosonii dezintegrare și X-va fi format peste excesul de anticuarcii cuarci, adică predominanța materiei asupra antimateriei. Cu toate acestea, la predominarea materiei asupra antimateriei în evoluția ulterioară a universului a rămas, care desfășoară mai mult de o condiție este necesară - universul ar trebui să se extindă și temperatura acestuia trebuie să fie coborât.
Universul fierbinte, care este în echilibru termic va avea loc nu numai procesele de degradare discutate mai sus și X-- bozoni, dar reacțiile lor de formare eficiente

u + u ↔ X + e + ↔ X,
+ ↔, d + e - ↔.

Într-un sistem în echilibru termodinamic și formarea cariilor probabilitate X-, bosonii vor fi identice. procese Equilibrium va conduce la care sa format în axele X și dezintegrează bozonilor substanță în exces este eliminată. Prin urmare, este necesar ca sistemul a trecut de la o stare de echilibru termic. Când extinderea universului când temperatura scade sub pragul pentru formarea eficientă a X-bosoni (T <10 28 К), они выходят из теплового равновесия и реакции распада X- и -бозонов будут доминировать над реакциями их образования.

X → u u +, X → + e +,
→ +, → d + e -.

Prin urmare, un exces de materie peste antimaterie rămân. Astfel, pentru a forma predominanta materiei asupra antimateriei în univers este necesar să îndeplinească următoarele condiții:

• inițial univers cald,
• încălcarea CP,
• încălcarea legii de conservare a taxelor barionice și leptoni,
• încălcarea echilibrului termic.

Una dintre cele mai importante predicții Colonul este cariilor protoni. Se arată în Fig. 18.7 procese care implică axele X și Y-Bosonii sunt responsabile pentru căile posibile ale unui proton și un dezintegrări cu neutroni.

Fig. 18.6.Vozmozhnye quark proton și degradare de neutroni diagrame în modelul Grand Unified.

Grand Unified τ durata de viață medie Teoria protonului (p) depinde de masa de X-bosonul m (X) și constantele care combină Great αGU

Probabilitatea dezintegrării prezis a protonului (sau neutronului) este extrem de scăzută, din cauza numărului mare de X și Y virtuale bosoni. Până în prezent, nici un caz de observația detectată degradare de protoni. Gut estimată în cazul cel mai optim (SU (5), model) Durată de viață proton degradare relativ dominant canal p → e + + π 0 nu poate depăși 32, 10. Cu toate acestea, acest proton canalele de dezintegrare din experimentul efectuat pe IMB detector Cerenkov (USA), al τ durata de viata de protoni (p)> 5 x 10 32 ani, care, aparent, elimină minimal SU (5) modelul.

[*] AD Saharov „Violarea invarianță CP, C-asimetrie și asimetrie baryon a universului.“ JETP Letters, v.5, Issue 1 1967