Теории элементарных частиц

Квантовая электродинамика

В середине XX в. была создана теория электромагнитного взаимодействия - квантовая электродинамика (КЭД). В КЭД для описания электромагнитного взаимодействия использовано понятие виртуального фотона. Эта теория удовлетворяет основным принципам как квантовой теории, так и теории относительности.

В центре теории (КЭД) анализ актов испускания или поглощения одного фотона одной заряженной частицей, а также аннигиляции электрон-позитронной пары в фотон или порождение фотонами такой пары.

Если в классическом описании электроны представляются в виде твердого точечного шарика, то в КЭД окружающее электрон электромагнитное поле рассматривается как облако виртуальных фотонов, которое неотступно следует за электроном, окружая его квантами энергии. Т.е. электрон покрывается облаком виртуальных фотонов, электронов и позитронов, находящихся в состоянии динамического равновесия. Фотоны возникают и исчезают очень быстро, а электроны движутся в пространстве не по вполне определенным траекториям. Т.к. определить момент, когда происходит обмен фотоном и какая из частиц испускает фотон, а какая поглощает, невозможно. Эти характеристики скрыты пеленой квантовой неопределенности.

Т.о., описание взаимодействия с помощью частицы-переносчика в КЭД привело к расширению понятия фотона. Вводится понятие реального (кванта видимого нами света) и виртуального (скоротечного, призрачного) фотона, который «видят» только заряженные частицы, претерпевающие рассеяние.

Для проверки КЭД физики сосредоточились на 2 эффектах:

1. Первый касался энергетических уровней атомов водорода. Согласно КЭД, уровни должны быть слегка смещены относительно положения, которое они занимали бы в отсутствие виртуальных фотонов.

2. Вторая решающая проверка КЭД касалась чрезвычайно малой поправки к собственному магнитному моменту электрона.

Теоретические и экспериментальные результаты проверки КЭД совпадают с высочайшей точностью - более 9 законов после запятой. Это дает право считать КЭД наиболее совершенной из существующих естественнонаучных теорий. За создание КЭД С. Томанага, Р. Фейнман и Дж. Швингер были удостоены Нобелевской премии (1965), Большой вклад в становление КЭД был внесен и нашим выдающимся физиком-теоретиком - Л.Д. Ландау.

После подобного триумфа КЭД была принята как модель для квантового описания 3 других фундаментальных взаимодействий.

Теория кварков

Теория кварков - это теория адронов. Основная идея этой теории очень проста: все адроны построены из более мелких частиц - кварков. Кварки несут дробный электрический заряд, который составляет либо - ²/з, либо +²/з заряда электрона. Комбинация из двух или трех кварков может иметь суммарный заряд, равный 0 или 1. Все кварки имеют спин ½, —> относятся к фермионам. Основоположники теории кварков Гелл-Манн и Цвейг, чтобы учесть все известные в 60-е гг. адроны ввели 3 сорта (аромата) кварков: u (от up-верхний), d (от down - нижний) и s (от strange - странный). Кварки могут соединяться друг с другом одним из двух возможных способов: либо тройками, либо парами - кварк-антикварк. Из 3 кварков состоят сравнительно тяжелые частицы - барионы (нейтрон и протон). Более легкие пары кварк-антикварк образуют частицы, получившие название мезоны. Например, протон состоит из 2 и- и 1 d- кварка, а нейтрон - из 2 d-кварков и одного u-кварка. Чтобы это «трио» кварков не распадалось, необходимо удерживающая их сила, некий «клей». Кварки скрепляются между собой сильным взаимодействием. Переносчики сильного взаимодействия — глюоны (цветные заряды).

То обстоятельство, что из различных комбинаций трех основных частиц можно получить все известные адроны, стало триумфом теории кварков. Но в 70-е гг. были открыты новые адроны (пси-частицы, ипсилон-мезон и др.). Этим был нанесен чувствительный удар первому варианту теории кварков, поскольку в том варианте теории уже не было место ни для одной новой частицы. Все возможные комбинации из кварков и их антикварков были уже исчерпаны. Проблему удалось решить за счет введения 3 новых ароматов: с-кварков (charm - очарование), b-кварк (beauty - красота (прелесть)); t-кварк (top - верхний).

Теория электрослабого взаимодействия

В 70-е гг. XX в. 2 фундаментальных взаимодействия из 4 физики объединили в одно. Теория электрослабого взаимодействия в окончательной форме была создана независимо друг от друга - С. Вайнбергом и А. Саламом. Теория электрослабого взаимодействия решающим образом повлияла на дальнейшее развитие физики в конце XX в.

Главная идея в построении этой теории состояла в описании слабого взаимодействия на языке концепции калибровочного поля, в соответствии с которой ключом к описанию природы взаимодействия служит калибровочная симметрия.

Система обладает калибровочной симметрией, если ее природа остается неизменной при изменении отсчета уровня, масштаба или значения некоторой физической величины. Так, например, в физике работа зависит от разности высот, а не от абсолютной высоты, напряжение — от разности потенциалов, а не от их абсолютных величин.

Калибровочные преобразования симметрии могут быть глобальными и локальными. Глобальные преобразования изменяют систему в целом, во всем ее пространственно-временном объеме. Локальными калибровочными преобразованиями называются преобразования, которые изменяются от точки к точке. Глобальное калибровочное преобразование теоретически можно превратить в локальное калибровочное преобразование. Для их связи и поддержания симметрии в каждой точке пространства необходимы новые силовые поля — калибровочные. В природе существует ряд локальных калибровочных симметрий, и необходимо соответствующее число калибровочных полей для их компенсации. Значение концепции калибровочной симметрии заключается в том, что благодаря ей теоретически моделируются все 4 фундаментальных взаимодействия, встречающиеся в природе. Все их можно рассматривать как калибровочные поля.

Простейшей калибровочной симметрией обладает электромагнетизм. Для представления поля слабого взаимодействия как калибровочного прежде всего необходимо установить точную форму соответствующей калибровочной симметрии. Выяснилось, что для поддержания симметрии в описании слабого взаимодействия необходимы 3 новых силовых поля. Было получено и квантовое описание этих 3 полей: должны существовать 3 новых типа частиц - переносчиков взаимодействия, по одному для каждого поля. Все вместе они называются тяжелыми векторными бозонами со спином 1 и являются переносчиками слабого взаимодействия. Частицы W⁺ и W ^- являются переносчиками 2 из 3 связанных со слабым взаимодействием полей. Третье поле соответствует электрически нейтральной частице-переносчику, получившей название Z - частицы, существование Z⁰- частицы означает, что слабое взаимодействие может не сопровождаться переносом электрического заряда.

В создании теории электрослабого взаимодействия ключевую роль сыграло понятие спонтанного нарушения симметрии. Идеей спонтанного нарушения симметрии Вайнберг и Салам соединили электромагнетизм и слабое взаимодействие в единой теории калибровочного поля. В теории Вайнберга-Салама представлено всего 4 поля: электромагнитное и 3 поля, соответствующие слабым взаимодействиям. Кроме того, было введено постоянное на всем пространстве скалярное поле (так называемое поле Хиггса), с которым частицы взаимодействуют по-разному, что и определяет различие их масс.

Наиболее убедительная экспериментальная проверка новой теории заключалась в подтверждении существования гипотетических W- и Z-частиц. Их открытие в 1983 г. стало возможным только с созданием очень мощных ускорителей нового типа и означало торжество теории Вайнберга-Салама. Было окончательно доказано, что электромагнитное и слабое взаимодействие в действительности были просто 2 компонентами единого электрослабого взаимодействия. В 1979 г. Вайнбергу, Саламу, Глэшоу была присвоена Нобелевская премия за создание теории электрослабого взаимодействия.