На пути к единой теории

Генеральным направлением в физике микромира является установление единой первопричины всех четырех фундаментальных взаимодействий, т.е. создание такой теории, в которой все известные сейчас взаимодействия были бы частными случаями одного фундаментального взаимодействия. Известно, что этим вопросом с 1933 года вплоть до своей смерти в 1955 году занимался А.Эйнштейн, однако его попытки построить единую теорию поля окончились неудачей. Первый серьезный успех на пути к единому описанию всех взаимодействий был достигнут в конце 60-х годов нашего столетия, когда удалось найти согласующийся с опытом вариант теории, объединяющий электромагнитное и слабое взаимодействия. Авторам этой теории электрослабого взаимодействия А.Саламу, С.Вайнбергу и Ш.Глэшоу в 1979 году была присуждена Нобелевская премия.

Теория электрослабого взаимодействия представляет собой единую (объединённую) теорию слабого и электромагнитного взаимодействий кварков и лептонов, осуществляемых посредством обмена четырьмя частицами — безмассовыми фотонами (электромагнитное взаимодействие) и тяжёлыми промежуточными векторными бозонами (слабое взаимодействие). Таким образом, в этой теории постулируется, что электромагнитное и слабое взаимодействия — это различные проявления одной силы. Из теории электрослабого взаимодействия существование бозона Хиггса и механизма Хиггса, благодаря которому промежуточные бозоны получают массу.

Следующим шагом стала попытка физиков-теоретиков объединить электрослабое и сильное взаимодействие. Речь идет о так называемом Великом объединении (Grand Unification), в котором оба названных взаимодействия выступали бы как разные аспекты одного явления.

В основе этих моделей лежат обнаруженная симметрия между лептонами и кварками в единой теории электрослабого взаимодействия и тот факт, что в калибровочных теориях поля предсказывается при переходе к малым расстояниям (т. е. к высоким энергиям), с одной стороны, увеличение константы электрослабого взаимодействия, а с другой – уменьшение константы сильного взаимодействия. Силы (интенсивности) этих взаимодействий, кардинально различающиеся при обычных (низких) энергиях, с ростом энергии и, соответственно, уменьшением расстояния между частицами, сближаются и по оценкам сходятся при энергии
10¹⁵–10¹⁶ ГэВ (≈10^{-29 см), называемой точкой Великого объединения.}

По мере роста энергии (начиная от самых низких) сильное, электромагнитное и слабое взаимодействия сливаются в единое в два этапа. При энергии 10² ГэВ (расстоянии 10^{-16 см) электромагнитное взаимодействие сливается со слабым в электрослабое. Образование электрослабого взаимодействия является установленным фактом и его теория создана (электрослабая модель). В точке Великого объединения электрослабое взаимодействие сливается с сильным. Это слияние является гипотезой. Переносчиками сил Великого объединения считаются гипотетические бозоны X и Y, имеющие огромные массы 1015} – 10¹⁶ ГэВ/с².

Несмотря на то, что невозможно искусственно создать условия для Великого объединения из-за фантастических энергий, требуемых для этого, существует ряд качественно новых эффектов, предсказываемых этим объединением, которые можно проверить в лабораторных условиях. Недавно в экспериментах на БАК обнаружен бозон Хиггса – частица, вызывающая спонтанное нарушение симметрии Великого объединения, которое и приводит к наблюдаемым различиям электрослабого и сильного взаимодействия.

Другой проблемой на пути экспериментального обоснования теории великого объединения является наблюдение возможного распада протона, который вне рамок этой теории считается абсолютно устойчивым. Дело в том, что главным следствием теории великого объединения является необходимость существования наряду с глюонами, фотоном и промежуточными бозонами, ответственными за уже известные взаимодействия, новых элементарных частиц – - и - бозонов, испускание или поглощение которых должно приводить к прямому превращению кварка в лептон (ведь в теории Великого объединения уже нет принципиальной разницы между этими частицами). А это значит, что протон должен быть нестабильным в связи с возможностью исчезновения одного или нескольких составляющих его кварков. В частности, протон может распасться на p⁰-мезон (связанное состояние кварк - антикварк) и позитрон

е⁺:

В этом распаде не сохраняется ни барионное, ни лептонное квантовое число (во всех наблюдавшихся процессах эти числа сохранялись). Распад протона – чрезвычайно маловероятное событие, так что время жизни протона должно превышать 10³¹ - 10³² лет. Такое время гораздо больше времени существования Вселенной (~ 10¹⁰ лет), хотя это и не означает, что подобный распад принципиально невозможно обнаружить.

Что касается «суперобъединения» всех четырех фундаментальных взаимодействий, то на этом пути делаются только первые шаги. Иногда это объединение называют «теорией всего» или расширенной супергравитацией. В рамках обычной теории поля, где частицы рассматриваются как точечные, не удается построить ни одной удовлетворительной квантовой теории гравитации. В настоящее время большие надежды возлагаются на теорию суперструн. Считается, что эта теория позволит решить проблему «расходимости» и даст возможность изучать взаимодействия между частицами на расстояниях, меньших «планковской длины» 10^{-33 см. В такой теории частица рассматривается не как точечный объект, а как струна (со свободными концами или замкнутая), колеблющаяся определенным образом в десятимерном пространстве-времени.}

В настоящее время считается доказанным, что единое поле, объединяющее все виды взаимодействия, может существовать только при чрезвычайно больших энергиях частиц, недостижимых на современных ускорителях. Такими большими энергиями частицы могли обладать только на самых ранних этапах существования Вселенной, которая возникла в результате так называемого Большого взрыва (Big Bang). Космология – наука об эволюции Вселенной – предполагает, что Большой взрыв произошел около 14 миллиардов лет тому назад. В стандартной модели эволюции Вселенной предполагается, что в первый период после взрыва температура могла достигать 10³² K, а энергия частиц достигать значений 10¹⁹ ГэВ. В этот период материя существовала в форме кварков и нейтрино, при этом все виды взаимодействий были объединены в единое силовое поле. Постепенно по мере расширения Вселенной энергия частиц уменьшалась, и из единого поля взаимодействий сначала выделилось гравитационное взаимодействие (при энергиях частиц ≤ 10¹⁹ ГэВ), а затем сильное взаимодействие отделилось от электрослабого (при энергиях порядка 10¹⁴ ГэВ). При энергиях порядка 10³ ГэВ все четыре вида фундаментальных взаимодействий оказались разделенными. Одновременно с этими процессами шло формирование более сложных форм материи – нуклонов, лёгких ядер, ионов, атомов и т. д. Космология в своей модели пытается проследить эволюцию Вселенной на разных этапах её развития от Большого взрыва до наших дней, опираясь на законы физики элементарных частиц, а также ядерной и атомной физики.

Итак, универсальная теория, которая появится не скоро, должна будет объединить четыре фундаментальных взаимодействия, их симметрии и нарушение последних, приводящее к существованию различных семейств кварков и лептонов. При этом исключительно актуальной представляется задача экспериментального обнаружения частиц, предсказываемых суперсимметричными теориями. В то же время следует отдавать себе отчет в том, что чрезвычайно малые длины и очень большие энергии взаимодействия делают эту задачу трудновыполнимой.

Полученные в последнее время космологические данные требуют кардинального дополнения современных представлений о структуре материи и фундаментальных взаимодействиях элементарных частиц. Лишь 5% массы Вселенной приходится на понятное нам «обычное» вещество, которое называют барионной материей. Остальные 95% – это некие субстанции: темная материя (25%) и темная энергия (65 – 70%).

Помимо обычного вещества во Вселенной имеется другой тип вещества – темная материя. Обнаружение темной материи (т.е. материи, не излучающей свет и не наблюдаемой телескопами) имеет фундаментальное значение для космологии, астрофизики и физики элементарных частиц. Исследователи оказались (в очередной раз в истории развития науки) перед фактом, заключающимся в том, что известный мир, о котором, казалось бы, известно все или почти все, в действительности составляет лишь малую часть пока еще непознанной Вселенной.

Впервые предположение о существовании темной материи было высказано в 1933 г. астрономом Ф.Цвикки на основе результатов исследований галактических кластеров (скоплений галактик). Ф.Цвикки обратил внимание на то, что масса скопления галактик в созвездии Волосы Вероники (кластер Coma), определяемая по оптической светимости скопления и по скорости вращения периферийных галактик в этом скоплении, зависящей от их расстояния до центра скопления, не соответствуют друг другу. Масса, которая получается из измерений скорости вращения галактик, во много раз больше массы, измеряемой по светимости. Цвикки высказал предположение, что для удержания галактик в составе кластера силами гравитации необходимо большое количество невидимой материи. Он ввел в обиход понятие темной (не светящейся) материи. С этих пор на основе широкого круга самосогласованных астрофизических и космологических данных было получено множество разнообразных и неоспоримых свидетельств существования темной материи.

Темная материя сродни обычному веществу. Она способна собираться в сгустки (размером с галактику) и участвует в гравитационных взаимодействиях. Измерения, проведенные с несколькими сотнями спиральных галактик, показывают, что все эти галактики «погружены» в массивное гало из темной материи. Анализ результатов гравитационного линзирования показал, что диаметр темного гало галактик может превосходить видимый диаметр более чем на порядок. Скорее всего, темная материя состоит из новых, не открытых еще в земных условиях частиц. Эти частицы должны быть электрически нейтральны и участвовать только в слабом взаимодействии, подобно нейтрино, но иметь большую массу. По одной из гипотез кандидатами на роль таких частиц считаются гипотетические тяжелые и очень тяжелые нейтрино – нейтралино с массой в десятки ГэВ. Если нейтралино составляют значительную массу Вселенной, их поток в Метагалактике должен быть огромным. Наша Солнечная система движется в море нейтралино со скоростью 220 км/с. Через каждый квадратный метр поверхности ежесекундно должно проноситься примерно 10⁹ нейтралино. Сейчас в различных странах мира около 20 экспериментальных групп заняты поиском частиц темной материи, в т.ч. и нейтралино.

Одной из популярных категорий кандидатов на роль частиц темной материи являются гипотетические частицы – вимпы (название образовано от английской аббревиатуры WIMPs – Weakly Interacting Massive Particles – слабовзаимодействующие массивные частицы), которые по предположению были рождены в первые мгновения после Большого взрыва, когда температура среды была чрезвычайно велика и могли рождаться сверхмассивные частицы. К настоящему времени эти частицы остыли и представляют собой отдельные сгустки. Предлагается также новый класс небарионной холодной темной материи: сверхслабовзаимодействующие массивные частицы ─ супервимпы, или свимпы (SuperWIMPs).

Многочисленные астрономические наблюдения последних лет достаточно определенно указывают на то, что преобладающей составляющей современной Вселенной является экзотическая темная энергия с практически однородным распределением плотности и отрицательным давлением. Темная энергия – гораздо более странная субстанция, чем темная материя. Она не собирается в сгустки в галактиках и скоплениях галактик, а равномерно распределена во Вселенной. Темная энергия носит явно выраженный невещественный характер, но именно она доминирует во Вселенной. Ее нельзя наблюдать по гравитационным эффектам, создаваемым отдельными объектами, но она влияет на общее расширение Метагалактики. Наблюдения показывают, что в последние миллиарды лет Метагалактика расширяется с ускорением, тогда как обычная материя (в том числе темная) приводила бы к замедлению расширения под воздействием гравитации. Следовательно, темная энергия проявляет дальнодействующие свойства антигравитации. Плотность темной энергии остается постоянной с течением времени, тогда как плотность

обычной энергии обратно пропорциональна объему Метагалактики. Вероятно, темная энергия – это особый вид материи, давление которой отрицательно и численно в точности равно плотности энергии. По словам академика В.А.Рубакова, природа темной энергии – это главная загадка фундаментальной физики ХХI века. Перед наукой стоит задача определить природу темной энергии и объяснить ее доминирующую роль во Вселенной.

Контрольные вопросы для самоподготовки студентов:

1. Что положено в основу современной классификации элементарных частиц?

2.Какие частицы являются переносчиками взаимодействий?

3. Почему нельзя обнаружить кварки в свободном состоянии?

4. Стандартная модель элементарных частиц.

5. Трудности на пути создания единой теории.

6. Какие новые виды материи обнаружены в последнее время на основании астрофизических наблюдений?

5. На какие группы делятся элементарные частицы? Каковы их свойства и характеристики?

Литературные источники:

1. Трофимова, Т.И. Курс физики: учеб. пособие для вузов / Т.И. Трофимова. – М.: ACADEMIA, 2008.

2. Савельев, И.В. Курс общей физики: учеб. пособие для втузов: в 3-х томах / И.В.Савельев. – СПб.: Спец. лит., 2005.