Єдині теорії взаємодій

Зміст

Вступ

1. Фундаментальні взаємодії

1.1 Сильна взаємодія

1.2 Електромагнітна взаємодія

1.3 Слабка взаємодія

1.4 Гравітаційна взаємодія

2. Закони збереження у фізиці високих енергій

3. Основи кваліфікації суб’ядерних частинок

4. Кварковий рівень матерії

4.1 Кваркова модель суб’ядерних частинок

4.2 Колір кварків

4.3 Особливості сильної взаємодії

4.4 Будова адронів

4.5 Кварк-глюонна плазма

5. Єдині теорії взаємодій

5.1 Єдність взаємодій у природі

5.2 Єдина константа

5.3 Єдиний тип симетрії

5.4 Велике об'єднання

5.5 Супероб'єднання

6. Зв’язок фізики частинок і космології

Висновок Список використаної літератури

Вступ

Фізика — це наука про природу. Вона виникла як результат споконвічного прагнення людей зрозуміти й описати світ, що її оточує. Світ надзвичайно складний і цікавий. Людина, як частина цього світу завжди намагалася зрозуміти його будову. Чи можливо його пізнати? Сьогодні ми знаємо, що світ пізнаваний і що багато чого вже відомо.

Найважливішим є те, що всі навколишні тіла складаються з атомів^. Атоми є цеглинками світобудови, вони знаходяться у безперервному русі, притягаються на великих відстанях, але відштовхуються, коли їх намагатися наблизити один до одного. Розміри атомів приблизно 10-¹⁰ м.

Під фізичною картиною світу у найбільш широкому значенні розуміють особливий самостійний вид знань — найзагальніше теоретичне знання у фізиці, що є основою для побудови наукових теорій. Фізична картина світу, з одного боку, збагачує всі раніше отримані знання про природу, з іншого — вводить у фізику нові ідеї і поняття, принципи і гіпотези, яких до цього не було і які докорінно змінюють основи фізичного теоретичного знання: старі фізичні поняття і принципи ламаються, нові виникають, відповідно картина світу змінюється.

Закони Всесвіту на мікрорівні вивчає фізика елементарних частинок (фізика високих енергій). Фізика високих енергій — одна з областей, що знаходиться зараз на передньому фронті фундаментальної науки, що вивчає будову речовини на найглибшому структурному рівні, встановлює закони збереження та дозволяє класифікувати елементарні частинки.

Загалом елементарні частинки проявляються в чотирьох типах взаємодій: сильному, слабкому, електричному та гравітаційному. Два останніх проявляються на значних відстанях і тому їм підпорядковані процеси не лише мікросвіту, а й макротіл, планет, зірок, галактик (макроі мегасвіт). Сильні й слабкі взаємодії притаманні лише процесам мікросвіту. Великим успіхом на цьому шляху було відкриття кваркової структури адронів. І хоч кварки не були виявлені у вільному стані, проте експериментально зафіксовані. Саме кварки, лептони й відіграють роль базисних об'єктів у системі елементарних частинок. Вони є «будівельним матеріалом» для речовин. Завдяки взаємодії кварків існують ядра атомів. Внаслідок формування електронних оболонок навколо ядра утворюються атоми.

Фізика знаходиться в пошуку єдності своїх фундаментальних теорій. Весь шлях розвитку фізики являє собою процес становлення, розвитку і заміни однієї фізичної картини іншою. Першою з них була механічна картина світу Галілея-Ньютона. На зміну їй прийшла електродинамічна картина світу Фарадея-Максвелла. У наш час панує квантово-польова картина світу, створена перш за все працями Планка, Енштейна, Бора, де Бройля, Шредінгера, Гейзенберга.

Основу єдності світу становить, перш за все, єдність будови матерії. З погляду сучасної фізики, існують дві основні форми матерії — речовина і поле. Єдність світу виявляється також у взаємозв'язку всіх явищ, можливостях взаємних перетворень форм матерії і руху, а разом з тим, в існуванні ряду загальних законів руху матерії (закони збереження енергії, імпульсу, електричного заряду, взаємозв'язку маси і енергії та ін.). Єдність світу виявляється і в законах руху частинок, і в законах їх взаємодії.

Нині фізика прагне створити єдину теорію елементарних частинок. Виявлено глибинні структури частинок, які проявляються в різних взаємодіях. Наука підходить до виявлення субелементарного рівня організації матерії, єдиної природи всіх елементарних частинок. Саме в закономірностях цього рівня матерії і проявляються основні таємниці Всесвіту, які визначають особливості його еволюції. З подальшим дослідженням мікросвіту виникає дедалі більше можливостей для розуміння структури Всесвіту. Елементарні частинки, ядра атомів можуть утворювати плазму (вид матерії, подібний до газу), її величезні скупчення, які утримуються електромагнітними гравітаційними полями, утворюють зірки, які є особливим рівнем організації матерії. В їх надрах постійно відбуваються реакції, в результаті яких одні частинки перетворюються на інші, внаслідок чого зірки випромінюють енергію, утворюють інші атоми, а їх взаємодія викликає появу молекул.

Вченим відкрився мікросвіт — світ малих тіл, невидимих не тільки неозброєним оком, а й в самі сильні мікроскопи. Їх просторові розміри від см до см, а час життя — від нескінченності до с. Для того, щоб розібратися в явищах мікросвіту, потрібно було в першу чергу визначити основні характеристики малих тіл, що їх складають: масу і розміри частинок речовини, їх електричний заряд, характер і величину сил взаємодії між ними і т. ін. На цьому шляху вчені зустріли багато труднощів і зробили ряд відкриттів, що радикально змінили різні уявлення про навколишній світ, встановлюють зв’язок між частинками і космологією.

Метою курсової роботи є: шляхи становлення сучасної фізичної картини світу, мікросвіту.

1. Фундаментальні взаємодії

Фундаментальні взаємодії - різні типи взаємодії, що не зводяться одна до одної, елементарних частинок і складених з них тіл. На сьогодні достовірно відоме існування чотирьох фундаментальних взаємодій: гравітаційної (g), електромагнітної (e), сильної (s) і слабкої () взаємодій. Ведуться пошуки інших типів взаємодій, як в явищах мікросвіту, так і на космічних масштабах, проте поки існування якого-небудь іншого типу взаємодії не знайдено.

У фізиці причиною зміни руху тіл є сила. Досліджуючи навколишній світ, ми можемо помітити чимало найрізноманітніших сил: сила тяжіння, сила натягу нитки, сила стисненої пружини, сила, що виникає під час зіткнення тіл, сила тертя, сила опору повітря, сила вибуху і т.д. Проте як тільки була з’ясована атомарна структура речовини, стало зрозуміло, що вся різноманітність цих сил є результатом взаємодії атомів один з одним. Оскільки атоми взаємодіють в основному через електростатичну взаємодію електронних оболонок, то, як виявилося, всі ці сили — лише різні прояви електромагнітної взаємодії. Єдиний виняток — сила тяжіння, причиною якої є гравітаційна взаємодія між двома тілами, що мають масу.

Отже, до початку 20-го століття з’ясувалося, що всі відомі до того моменту сили зводяться до двох фундаментальних взаємодій: електромагнітної і гравітаційної.

У 1930;і роки з’ясувалося, що атоми містять всередині себе ядра, які у свою чергу складаються з нуклонів (протонів та нейтронів). Ясно, що ні електромагнітні, ні гравітаційні взаємодії не можуть пояснити, що утримує нуклони в ядрі. Було постульовано існування нової фундаментальної взаємодії: сильної взаємодії. Проте надалі виявилося, що і вона здатна пояснити не всі явища в мікросвіті, зокрема, не було зрозуміло, що примушує розпадатися вільний нейтрон. Так було постульовано існування слабкої взаємодії, і як виявилося, цього достатньо для опису всіх взаємодій, що дотепер спостерігалися в мікросвіті.

В табл.1 наведені фундаментальні види взаємодій у природі. З таблиці бачимо, що найбільш ефективною є сильна взаємодія. Гравітаційна взаємодія є найбільш слабкою серед всіх, вона майже у разів менша порівняно із сильною.

Таблиця1

Фундаментальні види взаємодії у природі

1.1 Гравітаційна взаємодія

Найбільш універсальною з-поміж всіх взаємодій є гравітаційна — вона виникає між будь-якими тілами, що мають масу. Гравітаційна взаємодія характеризується гравітаційною сталою G=6.7. Чудове наближення, що описує гравітаційну взаємодію двох точкових тіл з однаковими масами m, які знаходяться на відстані r один від одного, дає закон всесвітнього тяжіння, відкритий Ньютоном:

F=G. (1.1)

У фізиці суб’ядерних частинок гравітаційна взаємодія внаслідок її малої величини не відіграє майже ніякої ролі на відстанях rсм, в зв’язку з чим нею нехтують. При менших відстанях або дуже великих енергіях ця взаємодія за величиною порівнюється з іншими взаємодіями і повинна бути врахована. Сучасною теорією гравітаційної взаємодії є загальна теорія відносності (ЗТВ). В рамках цієї теорії гравітація розглядається як викривлення простору-часу, тобто має геометричну інтерпретацію.

1.2 Електромагнітна взаємодія

Електромагнітна взаємодія виникає між тілами, що мають електричний заряд. У загальному випадку закон руху заряджених тіл описується рівняннями Максвелла — Лоренца, проте в квазістатичному наближенні чудово «працює» аналог закону Ньютона — кулонівське наближення

F=, (1.2)

де езаряд частинки; - стала пропорційності.

Квантова теорія, що описує електромагнітну взаємодію, одержала назву квантової електродинаміки (КЕД) і вважається найбільш досконалою із усіх існуючих фізичних теорій. Ця теорія відповідає основним вимогам як квантової теорії, так і теорії відносності.

Величину G і у співвідношеннях (1.1) і (1.2) залежить від вибору одиниць вимірювання, і це перешкоджає аналізу спільності обох взаємодій. Щоб полегшити порівняння, з цих величин за допомогою універсальних констант — сталої Планка h= і швидкості світла с — утворюють безрозмірні константи. Таким чином, вводять безрозмірні величини =G та електромагнітну сталу = (сталу тонкої структури), де е — заряд електрона (протона).

Необхідно відзначити відмінність між визначенням обох цих сталих. У деякому розумінні, константа є більш універсальною, ніж. Це пов’яно з тим, що у вираз числа входять тільки фундаментальні сталі, в той час як константа характеризується довільною масою m. Щоб усунути цю неузгодженість в константі зазвичай фіксують значення маси m, вважаючи її такою, що дорівнює (маса протона). Цей вибір цілком природний: протон — одна з двох стабільних частинок у Всесвіті. Інша стабільна частинка — електрон — має масу. Вибір між і є в значній мірі умовним.

1.3 Сильна взаємодія

Сильна ядерна взаємодія найпотужніша з взаємодій. Однак, вона проявляється на малих відстанях (м, відстані співмірні з розміром ядра атома), пов’язує разом кварки, об'єднуючи їх в адрони, а також пов’язує протони і нейтрони в ядрі атома. Частинками-носіями сильної ядерної взаємодії за сучасними уявленнями є глюони. Їх всього 8 типів, кожен з яких має нульову масу (маса спокою) і нульовий заряд. На відміну від обмінних частинок інших взаємодій, глюони можуть взаємодіяти один з одним через інший глюон.

Сильна ядерна взаємодія була вперше описана японським вченим-фізиком Хідекі Юкава в 1935 р. з використанням обмінних частинок — мезонів. Сучасний опис сильної взаємодії дає квантова хромодинаміка. Квантова хромодинаміка входить у так звану Стандартну модель, яка є сумою сучасних уявлень про будову мікросвіту, хоча й не може претендувати на завершене знання, оскільки не пояснює результатів деяких експериментів і не включає в себе теорію гравітації.

1.4 Слабка взаємодія

Слабка взаємодія керує розпадом більш важких суб’ядерних частинок на більш легкі. Історично першим був вивчений розпад нейтрона в атомних ядрах (- розпад), який відбувається за схемою

n = p++,

де n, p, — нейтрон, протон, електрон та антинейтрино.

Взаємодія має короткий радіус дії і проявляється лише на відстанях порядку розміру атомного ядра. Вважається, що вона характерна для кварків і лептонів, включно з нейтрино. Частинками-переносниками слабкої взаємодії є Wі Z-бозони — дуже масивні елементарні частинки з масами порядку десятків мас протона.

Першу теорію слабкої взаємодії запропонував Енріко Фермі у 1930. При розробці теорії він використав гіпотезу Вольфганга Паулі про існування нової на той час елементарної частинки нейтрино. Тому ця взаємодія характеризується константою Фермі (). Безрозмірна константа слабкої взаємодії записується у вигляді

=.

Слабка взаємодія також визначає процеси взаємодії нейтрино з речовиною.

2. Закони збереження у фізиці високих енергій

У фізиці суб’ядерних частинок існує велика кількість законів збереження. Умовно ці закони можна поділити на три групи відповідно до їх фізичної природи:

1) закони збереження, пов’язані з геометрією чотиривимірного простору-часу;

2) точні закони збереження зарядів;

3) наближені закони збереження.

Зазначені групи законів збереження систематизовані у таблиці 2, де символами S, E, W, G позначені сильна, електромагнітна, слабка та гравітаційна взаємодії.

Закони збереження у фізиці частинок мають дуже важливе значення, оскільки сучасна теорія високих енергій не має фундаментальних рівнянь руху, аналогічних до рівнянь Ньютона у класичній механіці і Максвелла у класичній електродинаміці. У той же час вивчення різних симетрій, законів збереження і їх наслідків дозволяє систематизувати одержані експериментальні дані. Новітні фізичні теорії, які претендують на статус найбільш загальних, неодмінно повинні пояснити природу фізичних величин, що зберігається, та виявити їх походження.

Таблиця 2

Закони збереження у фізиці суб’ядерних частинок

3. Основи кваліфікації суб’ядерних частинок

Сукупність експериментальних даних, отриманих у результаті величезної дослідницької роботи по вивченню ядерних реакцій і взаємодій частинок високих енергій, дозволила первісно згрупувати відомі в даний час елементарні частинки у відповідні групи (класи) без врахування фундаментальних взаємодій між частинками і їхньою внутрішньою структурою (табл.3). Частинки розміщені у табл.3 у порядку зростання їх мас, за виключеннямлептона. Таблиця включає 39 частинок, а всіх, як відомо, біля 400.

Суб’ядерні частинки класифікують за різними параметрами. Найзагальніша основа класифікації частинок — значення їх власного моменту імпульсу — спіну (J).

Поведінка частинок істотно залежить від того, яке число, ціле (0, 1, 2,…) або напівціле (½, 3/2, 5/2), характеризує спін. Частинки з напівцілим спіном називаються ферміонами, з цілим — бозонами. В рамках квантової механіки відмінність у поведінці ферміонів і бозонів проявляється в типі симетрії хвильової функції, що описують ці частинки.

Таблиця 3

Первісна класифікація елементарних частинок

Згідно з сучасною точкою зору будь-яка взаємодія елементарних частинок здійснюється іншими частинками — квантами відповідної взаємодії. Такими переносниками взаємодії завжди є бозони (їх називають калібрувальними), в той час як сама матерія побудована з ферміонів.

Переносником електромагнітної взаємодії є фотон, гравітаційної - гравітон, слабкої - бозони. Квантами сильної взаємодії з сучасної точки зору є глюони (від англійського ``глює''- клей). Існує вісім різних типів глюонів.

Ще однією основою класифікації елементарних частинок є їх взаємодія. Всі елементарні частинки схильні до слабкої взаємодії. Частинки, які, крім того, беруть участі у сильній взаємодії, називаються адронами (грецьке ``хадрос'' означає великий, масивний). Встановлено, що всі адрони мають внутрішню структуру і складаються з більш фундаментальних частинок — кварків. Існує шість типів кварків. Адрони з нульовою дивністю (S=0) називають звичайними, з 0 — дивними, з ненульовою чарівністю (Cзачарованими.

Адрони — ферміони одержали загальну назву — баріонів, адрони-бозони називають мезонами. Найбільш відомими з баріонів є нуклони (протон і нейрон), з мезонів — -мезони (піони) і К-мезони (каони). До баріонів, крім нуклонів, відносять групу частинок, яка одержала назву гіперонів. Гіперони є дивними частинками, оскільки їх дивність не дорівнює нулю.

Ферміони, що не беруть участь у сильній взаємодії, називаються лептонами. Лептони отримали свою назву від грецького слова «лептос», яке означає «легкий, дрібний», які мають електричний заряд (електрони і мюони), беруть участь також в електромагнітній взаємодії. Типовими лептонами є електрони і нейтрино. Лептони і кварки вважають точковими безструктурними частинками, їх називають фундаментальними ферміонами.

На рисунку 1 наведена класифікація фундаментальних ферміонів (Стандартну модель). Стандартна модель — це теоретична конструкція у фізиці елементарних частинок, яка описує електромагнітну, слабку й сильну взаємодії всіх елементарних частинок. Ця модель не враховує тільки гравітаційної.

Стандартна модель складається з таких положень:

1. Уся речовина складається з 24 фундаментальних частинок — ферміонів: 6 лептонів (електрон, мюон, тау-лептон, електронне нейтрино, мюонне нейтрино і тау-нейтрино), 6 кварків (u, d, s, c, b, t) і 12 відповідних античастинок.

Із кварків складаються адрони (мезони й баріони). Спочатку було висунуто гіпотезу про існування трьох кварків: u (від англ. up — угору), d (від англ. down — вниз) і s (від англ. strauge — дивний). Згодом були передбачені, а потім відкриті більш важкі кварки: c (від англ. charm — зачарування), b (від англ. bottom — нижній), t (від англ. top — верхній). Оскільки кварки t і b подібні за своїми назвами до кварків u і d, то науковці також називають їх істинними і чарівними. У природі відсутні вільні кварки. Дослідники здійснили численні спроби знайти в природі хоча б один вільний кварк або звільнити кварк з надр елементарних частинок під час їхньої взаємодії. Але всі спроби закінчилися невдало.

Кварки беруть участь у сильних, слабких та електромагнітних взаємодіях, заряджені лептони (електрон, мюон, тау-лептон) — у слабких та електромагнітних, нейтрино — тільки в слабких.

2. Взаємодія між кварками й лептонами здійснюється за допомогою фундаментальних бозонів — ``переносників'' взаємодій: для сильної взаємодії - 8 глюонів, для слабкої взаємодії - 3 важкі калібрувальні бозони, для електромагнітної взаємодії - фотон.

В основу поділу елементарних частинок на фундаментальні ферміони й фундаментальні бозони покладено спін частинок: для ферміонів спін кратний ½, для бозонів — кратний h.

Таким чином, зараз відомі всі частинки, які формують атоми, молекули й матерію, що нас оточує, а також вивчені сили, які приводять усе це в рух. ``Стандартна модель'' на сьогодні найбільш повно з усіх фізичних теорій описує будову Всесвіту.

Рисунок 1. Стандартна модель частинок Але в цій моделі існує прогалина: у ній не пояснюється, яким чином частинка набуває масу. 1964 р. група науковців, до складу якої входив і Пітер Хіггс, запропонували пояснення цього процесу, яке дістало назву «механізм Хіггса».

Науковці припустили, що після Великого вибуху виникло нове поле (поле Хіггса), яке швидко поширювалося на весь Всесвіт і стало причиною наступного набуття більшістю частинок маси спокою. Згідно зі Стандартною моделлю саме хіггсівське поле безпосередньо впливає на рух частинок у космологічному просторі, злегка гальмуючи їх і роблячи інертнішими, тобто надаючи їм масу, яка є тим більшою, чим сильніше елементарна частинка взаємодіє з частинкою-переносником. Таким переносником є бозон Хіггса.

Бозон Хіггса — теоретично передбачена елементарна частинка, квант поля Хіггса, скалярна частинка, яка має нульовий спін у рамках Стандартної моделі відповідає за масу елементарних частинок. Ця частинка одержана на Великому адронному колайдері у 2012 році.

На рисунку 2 показано Стандартну модель до якої входить і бозон Хіггса.

Рисунок 2. Стандартна модель до якої входить бозон Хіггса Бозон Хіггса потрібен науковцям для того, щоб пояснити, що таке маса. Якби в частинок не було маси, то не було б ані зір, ані галактик і навіть атомів. Усі елементарні частинки рухалися б зі швидкістю світла й були б нездатні сформувати речовину у Всесвіті. Відкриття бозона Хіггса може дати науковцям уявлення про, те як народжувався Всесвіт, тому цю частинку часто називають також «частинкою Бога».

4. Кварковий рівень матерії

4.1 Кваркова модель суб’ядерних частинок

Ідея кварків виникла у результаті спроби здійснити класифікацію великої кількості частинок, що беруть участь у сильній взаємодії. Гелл-Ман і Цвейг припустили, що всі адрони складаються із більш простих частинок — кварків, що мають дробовий заряд 1/3е, 2/3е.

Експериментальні пошуки дробового заряду у природі до цього часу виявилися безуспішними, хоча точність вимірювань була доведена до винятково високих значень. Це приводить до висновку, що існування дробового електричного заряду можливо за умови, якщо його частинки-носії утворюють зв’язані об'єднання, в яких сумарний електричний заряд дорівнює 0 або 1. Тобто кварки завжди знаходяться у зв’язаному стані.

Клас кварків містить шість частинок і стільки ж античастинок. Фізики назвали кожний тип кварків ароматом. Цей термін, що асоціюється з нюхом, насправді позначає квантове число, яке приписують частинкам даного типу. Аромати позначаються першими буквами англійських слів, прийнятих як їх назви: up (верхній), down (нижній), straunge (дивний), charm (шармований або чарівний), beaut, bottom (красивий, нижній), top, truth (істинний). Інші квантові числа наведені в таблиці 4.

Складені з кварків адрони поділяються на три групи. Перша — баріониутворюється комбінація трьох кварків, ця група містить протон і нейтрон — фундаментальну основу атомних ядер. Другу групу утворюють частинки, що одержують шляхом поєднання кварка і антикварка. Вони називаються мезонами. Ще одна група містить частинки, що утворені поєднанням трьох антикварків. До цієї групи потрапляють антипротон і антинейрон, які складають основу антиречовини.

Таблиця 4

Фізичні властивості кварків

Кварки, що визначають основні фізичні властивості суб’ядерних частинок, називають валентними. Окрім валентних кварків, до складу адронів входять віртуальні пари частинок — кварк-антикварк, які випромінюються і поглинаються глюонами за дуже короткий час. Віртуальні пари кварків одержали назву кварків моря, або морських кварків. Таким чином, у структуру адронів входять валентні та морські кварки і глюони.

4.2 Колір кварків

З ряду міркувань, зокрема для усунення протиріччя з принципом Паулі, було введено поняття нового квантового числа — «кольору» кварків. Цей термін не має нічого спільного із загальноприйнятим значенням цього слова. За кольори домовилися брати червоний, синій і зелений. Суміш цих «кольорів» дає «нульовий» або білий колір (мал. 3). Антикварки несуть доповняльні кольори — античервоний, антисиній, антизелений (мал. 4). Колір є одним із квантових чисел, що ним характеризуються кварки та глюони.

На прикладі баріонів розглянемо необхідність такого квантового числа детальніше. Так, протон містить два uкварки та один dкварк (р=ии d). Тому що всі кварки ферміони, а принцип Паулі забороняє знаходження в тотожних станах більше одного ферміони, uкварки повинні чимось відрізнятись.

Малюнок 3. Кольори кварків (червоний, зелений, синій) в комбінації дають безколірний баріон Малюнок 4. Кольори антикварків (античервоний, антизелений, антисиній) у комбінації також дають безколірну античастинку Більше того, існують елементарні частинки, що містять по 3 однакових аромати кварків, наприклад = ddd, = иии,=sss. Саме тому квантова хромодинаміка приписує кваркам властивість, якої немає в елементарних частинках — колір. Безколірність елементарних частинок досягається двома шляхами — компенсацією кольору антикольором, як у мезонів, наприклад, =, або сумішшю усіх трьох кольорів, як у баріонів, наприклад, n=.

Взаємодія між кварками здійснюється глюонами, що переносять квантову характеристику — колір та антиколір, наприклад, с-синьо-антизелений, с-безколірний та інші комбінації. Усі 8 глюонів рівноправні.

4.3 Особливості сильної взаємодії

Особливістю сильної взаємодії є те, що глюони мають кольорові заряди і взаємодіють між собою. Це приводить до кардинальних змін картини силових ліній глюонного поля, порівняно, наприклад, з електричним. Відповідна картина силових ліній електричного поля точкового заряду наведена на рис.5а. Видно, що у випадку електромагнітної взаємодії силові лінії розводяться від їх джерела — електричного заряду. Це пов’язано з тим, що віртуальні фотони, які випромінюються джерелом, не взаємодіють один з одним. У випадку сильної взаємодії замість ліній, що розходяться, ми одержуємо джгут силових ліній, що протягнутий між кварком і антикварком (рис.5б). все ж найцікавіше є те, що глюони стають джерелом нових глюонів, кількість яких збільшується при віддалені від кварка. Така картина взаємодії відповідає залежності потенціальної енергії взаємодії між кварками від відстані між ними, зображено на рис. 6.

Рисунок 5. Схеми силових ліній електричного поля точкового заряду (а), глюонного поля між кварком і антикварком (б), а також схема розриву джгута при його значному розтягуванні (в) Рисунок 6. Залежність потенціальної енергії взаємодії кварка з антикварком від відстані між ними До відстані Rсм, залежність U® має лійкоподібний характер. При цьому сила взаємодії між кольоровими зарядами вданій області відстаней відносно невелика, так що кварки при Rсм в першому наближенні можна розглядати як вільні, не взаємодіючі частинки. Це явище має назву асимптотичної вільності кварків. Однак при R, яке є більшим від деякого критичного (см), величина потенціальної енергії взаємодії U® стає прямо пропорційною відстані між кварками. Звідси безпосередньо випливає, що сила яка зв’язує кварки F=-dU/dR=const, не залежить від R. Таким чином, сили, які діють між кварком і антикварком, починаючи з перестають залежати від відстані, залишаючись на рівні величини, близької до 20 т. Ніякі інші взаємодії, які фізики вивчали раніше, не мали такої незвичайної властивості.

На відстані R см кольорові сили більші ніж в разів перевищують електромагнітні. Якщо ж порівняти кольорові сили з ядерними взаємодіями між протоном і нейтроном у середині атомного ядра, то виявляється, що вони є у тисячі разів більшими. Таким чином, перед фізиками відкрилася нова грандіозна картина кольорових сил у природі, що на багато порядків перевищують більш досліджені ядерні сили.

При великих відстанях джгут силових ліній рветься, оскільки енергетично вигідніше утворити розрив із народженням кварк-антикваркової пари частинок. Це відбувається, коли потенціальна енергія в місці розриву є більшою, ніж маса спокою кварка і антикварка. Процес розриву джгута силових ліній глюонного поля показано на рис.5 В.

При високих енергіях джгут силових ліній, що виникає між кварками, може бути розірваним відразу в багатьох місцях, утворивши безліч q-пар, тобто безліч мезонів (рис. 5в).

Такі якісні уявлення про народження пари кварк-антикварк дозволяють зрозуміти, чому поодинокі кварки взагалі не спостерігаються в природі. Як ми бачимо, кварки навіки заточені усередині адронів. Це явище не вилітання кварків називається конфайментом (від англ. comfinement — полонення, ув’язнення).

4.4 Будова адронів

Розглянемо докладніше будову легких адронів — мезонів. Вони побудовані з одного кварка і одного антикварка. Надзвичайно важливо, що обидва партнера пари мають при цьому одноковий кольоровий заряд і такий самий антизаряд, так що їх пари незалежно від ароматів кварків не має кольору.

У таблиці 5 наведені деякі парні і більш складні комбінації кварків з зазначенням, яким відомим адроном це поєднання кварків відповідає.

Таблиця 5

Кварковий склад деяких адронів

Як ми бачимо, таблиця 5 починається з піонів, які мають спін J=0. Вони є квантами поля, що забезпечує взаємодію між нуклонами. Заряджені піони живуть близько с, розпадаючись на лептони за такими схемами:

+ і +.

Причина розпаду заряджених піонів обумовлена слабкою взаємодією, а саме тим, що кварки, з яких побудована частинка, здатні випромінювати і поглинати в результаті слабкої взаємодії на короткий час віртуальні калібрувальні бозони: ud+. На відміну від лептонів здійснюється також переходи кварка одного покоління в кварк іншого покоління, наприклад, u, або u, хоча такі переходи відбуваються набагато рідше, ніж переходи в рамках одного покоління. При всіх таких перетвореннях електричний заряд у реакції зберігається.

Їх родичі в табл.5- резонанси, мають на відміну від піонів спін J=1, вони нестабільні і живуть всього близько с. Причина розпаду, резонансів — сильна взаємодія.

З найбільш вивчених у наш час мезонів і мезонних резонансів найчисленнішу групу складають легкі неароматні частинки, у яких квантові числа S= C= B= 0. До неї входить близько 40 частинок.

Дослідження мезонів, що містять sі c-кварки, привело до відкриття декількох десятків дивних і чарівних частинок. Їх дослідження проводиться і зараз у багатьох наукових центрах світу.

Розглянемо тепер важкі адрони, тобто баріони. Всі вони складаються з трьох кварків, але таких, у яких є всі три різновиди кольорів, оскільки так само, як і мезони, всі баріони безбарвні. Кварки усередині баріонів можуть мати орбітальний рух.

Баріонами з мінімальною масою є протон p і нейтрон n (див. табл.5). Але якщо спін цієї комбінації кварків J=3/2, утворюються резонанси і відповідно. Всі інші баріони складаються з важких s-, b-, tкварків і тому мають істотно більшу масу. Вони одержали назву гіперонів. Серед цих частинок особливий інтерес викликає - гіперон, що складається з трьох дивних кварків. Він був відкритий спочатку на папері, тобто в результаті розрахунків з використанням ідей кваркової будови баріонів. В результаті були передбачені всі основні властивості цієї частинки. В подальшому розрахунки були підтверджені експериментально.

Досить довго вважалося, що в природі існують тільки адрони, які складаються з двох або трьох кварків. Але у 1997 р. Д. Д’яконов, В. Петров та М. Поляков теоретично передбачили існування п’ятикваркової частинки uud. Експериментально вперше цю частинку зареєстрували Н. Накано і його колеги з лабораторії Spring-8 у Осаці (Японія). П’ятикваркові частинки з масою 1,54 ГеВ народжувалися в реакції +=++n і були ідентифіковані за резонансом в енергетичному спектрі - мезонів. В подальших експериментах, що були виконані в 2003 р. в Інституті теоретичної і експерементальної фізики (ІТЕФ, Росія) та в лабораторії ім. Т. Джеферсона (США), ці результати були підтверджені. Проте залишається деяка ймовірність того, що знайдений в описаних експериментах п’ятикварковий стан є не адроном, а молекулярним мезон-баріонним резонансом. Однак більшість вчених вже зараз не сумніваються, що у найближчому майбутньому буде відкритий цілий клас нових суб’ядерних частинок, що складаються більш ніж з трьох кварків.

Сьогодні існує багато експериментальних фактів, що переконливо свідчать про існування кварків. Зокрема, йдеться про відкриття нового процесу в реакції зіткнення електронів і позитронів, що приводить до утворення кварк-антикваркових струменів. Схема цього процесу наведена на рис. 7. На рисунку стрілками показані напрямки пучків позитронів і електронів, а з точки їх — вилітання кварка q і антикварка під деяким кутом. Таке народження пари відбувається в реакції +q+.

Це явище пояснюється так. Джгут силових ліній взаємодіючих кварків при достатньо великому розтягуванні рветься на частинки. При великій енергії кварка і антикварка струна рветься в багатьох місцях, внаслідок чого в обох напрямах уздовж лінії польоту кварка q і антикварка, як це показано на рис. 7, утворюються два вузькі пучки вторинних безбарвних частинок — мезонів.

Рисунок 7. Схема виникнення двох кваркових струменів у реакції між електроном і позитроном Такі пучки частинок одержали назву струменів. Досить часто на досліді спостерігається утворення трьох, чотирьох і більше струменів частинок одночасно. Оскільки струни одновимірні, то центри утворення струменів також розміщуються уздовж прямої лінії.

У 2002 р. в лабораторії Фермі, були отримані перші результати, які можуть бути інтерпретовані як існування нового рівня в будові матерії. На прискорювачі частинок стикалися пучки протонів і антипротонів. Були досягнуті енергії, що дозволили досліджувати відстані см. При зіткненні взаємодіяли окремі кварки, викликаючи струмені адронів, що реєструвалися експериментально. Вченими підрахувалося число струменів залежно від енергії частинок. Якщо при енергіях, менших 200 ТеВ, спостерігалося гарне узгодження з прогнозами квантової хромодинаміки, то при більш високих енергіях число струменів значно перевищувало очікуване. Розбіжність починала виявлятися на відстанях у разів, менших від розміру протона. Перевищення в числі подій, що спостерігалися дослідниками, можна пояснити, якщо припустити, що розсіяння відбувається на деяких більш компактних частинках, що утворюють кварк. Якщо одержані результати підтвердяться, то це означатиме вихід за рамки Стандартної моделі у фізиці частинок. Кварки, які дотепер вважаються най фундаментальними частинками, можуть мати структури наступного рівня.

4.5 Кварк-глюонна плазма

П’ятий агрегатний стан речовини називають кварк-глюонною плазмою (чотири: тверде тіло, рідина, газ, плазма відомі давно). Кварк-глюонна плазма — стан матерії, у якому кварки та глюони знаходяться у вільному, не зв’язаному у нуклонах, стані. Новий стан речовини можна отримати при великих баріонних густинах та енергіях.

Ідея кварк-глюонної плазми ґрунтується на припущенні екранування кольорового заряду, аналогічно екрануванню електричного заряду в плазмі. Окремі кварки та глюони не можуть існувати у вільному стані, завдяки явищу конфайнмента, яке дозволяє вільне існування лише безколірних, або білих, частинок — баріонів та мезонів. Однак, при високій густині кварків та глюонів, взаємодія між ними може екрануватися і швидко зменшуватися з віддаллю. В такому разі кварки і глюони не об'єднувалися б в композитні частинки.

Поведінка кварк-глюонної плазми описуються квантовою хромодинамікою. Відповідно до неї, для переходу речовини до такого стану необхідне перекривання квановомеханічних функцій окремих адронів, що може бути досягнуто підвищенням тиску або температури.

Звичайна баріонна речовина перетворюється на кварк-глюонну плазму при нагріванні до температури у 2 трильйони K, що відповідає енергії на одну частинку близько 175 МеВ. Густина плазми у декілька разів вища за густину звичайної нуклонної речовини.

Теоретичні обрахунки вказують, що кварк-глюонна плазма повинна мати властивості надплинної рідини.

Вважається, що кварк-глюонна плазма була одним із станів, через який пройшов у своїй еволюції Всесвіт у час до 10^?5 с після Великого вибуху.

На сучасному етапі матерія у стані кварк-глюонної плазми може існувати у центрі масивних нейтронних зірок, де внаслідок величезних тисків окремі баріони зливаються так, що їхні складові кварки набувають можливості вільно переміщуватися по усьому об'єму такої речовини.

Для експериментального отримання кварк-глюонної плазми використовуються зіткнення важких атомних ядер, як правило, золота або свинцю, прискорених до високих енергій. При їх зіткненні відбувається фазовий перехід частини ядерної речовини до стану кварк-глюонної плазми. Така ділянка існує близько10^?23 с, після чого внаслідок розширення її температура знижується і відбувається зворотний процес адронізації, коли окремі кварки об'єднуються у мезони та баріони, які фіксуються відповідними детекторами.

У 1994 році на одному з найбільших в світі прискорювачів елементарних частинок у ЦЕРНі, де була проведена ціла низка складних експериментів із зіткненням ядер атомів свинцю, розігнаних до дуже високих енергій (33ТеВ). При зіткненні іонів з мішенню виникла температура, яка сягала трильйона градусів. Густина отриманої при цьому енергії у 20 разів перевищувала густину матерії у ядрі атома. Результати експериментів були оприлюднені тільки у лютому 2000 року, вони свідчать, що вченим таки удалося одержати кварк-глюонну плазму.

Остаточно це було оприлюднено у 2001 році з використанням суперколайдера Національної лабораторії Брукхевела (США). Цей прискорювач забезпечував двадцятикратне підвищення енергії зіткнення ядер у порівнянні з прискорювачем, який діє в Європі. В 2005 році кварк-глюонна плазма була отримана експериментально на прискорювачі. А у лютому 2010 року там же була отримана температура плазми в 4 трильйони градусів Цельсія. Максимальну температуру — понад 10 трильйонів градусів — отримали в листопаді 2010 року на БАК.

Вивчення кварк-глюонної плазми є важливим для розуміння ранніх етапів еволюції Всесвіту, кінцевих стадій розвитку деяких зірок та для створення об'єднуючої теорії фізичних взаємодій.

фізичний кварковий мікросвіт космологія

5. Едині теорії взаємодії

5.1 Єдність взаємодій у природі

Кінцевою метою фізики елементарних частинок і квантової теорії поля є створення єдиної теорії всіх взаємодій. Сучасні експерименти свідчать, що всі фундаментальні взаємодії у природі не є незалежними, а можуть бути описані в рамках єдиної теорії, яку називають супероб'єднанням. Слід відзначити, що у сучасній теоретичній фізиці запропоновано декілька підходів, які дозволяють побудувати таку теорію.

По суті поняття єдиної теорії поля — це теорія (сукупність рівнянь), що описує єдиним способом всі існуючі взаємодії і елементарні частинки. Тобто рівняння єдиної теорії повинні описати загальні властивості взаємодій і частинок, відтіняючи, проте, і їх відмінності. В цьому понятті є два аспекти: 1) єдина взаємодія повинна характеризуватися загальною константою або сукупністю загальний констант; 2) взаємодія повинна відповідати єдиному типу симетрії, який і характеризує спільність властивостей системи різних частинок. На математичній мові подібна спільність відповідає загальній симетрії або групі перетворень, відносно якої є інваріантними рівняннями єдиної теорії поля.

5.2 Єдина константа

З першого погляду здається, що навіть поставлене питання про єдину константу для всіх фундаментальних взаємодій є абсурдним. Проте такий висновок стає неправильним, якщо пригадати, що сталі є константами, які залежать від маси m (імпульсу) обмінної частинки.

Константи фундаментальних взаємодій залежать від m порізному. Так, стала електромагнітної взаємодії залежить від m дуже слабо (рис.8) і тому цією залежністю, зазвичай нехтують, вважаючи, що (m) const. Слід зазначити, що через специфічність слабкої взаємодії (вона переноситься двома сортами частинок, що мають різну масу) її характеризують двома константами взаємодій. Характер залежності цих констант від маси зображено на рис. 8.

Рисунок 8. Схема залежності констант електромагнітної слабкої та сильної взаємодій від маси частинки переносника Зіставляючи різні сталі, можна розрахувати значення характеристичних мас, і відповідних їм енергій, при яких відбувається об'єднання констант різних взаємодій. Ці величини наведені на рис. 9. Оскільки найменше значення об'єднуючої маси належить до сукупності слабкої і електромагнітної взаємодій (m 100 ГеВ), створення більш загальної теорії природно почати саме з їх об'єднання.

Ця задача у наш час фізиками розв’язана. Подальше об'єднання відбувається, якщо припустити, що = =, воно включає слабку, електромагнітну та сильну взаємодії (так зване Велике об'єднання).

На шляху об'єднання сильної і електрослабкої взаємодій існують дуже суттєві труднощі, які пов’язані з таким: наявністю кольору у глюонів приводить до взаємодії між ними і, отже, до кардинальної відмінності рівнянь квантової електродинаміки і квантової хромодинаміки. Електромагнітні рівняння лінійні (це відповідає відсутності електричного заряду у фотона як переносника взаємодії), в той час як рівняння квантової хромодинаміки принципово нелінійні. Остання обставина істотно ускладнює їх розв’язок. Зокрема, проблема не вилітання кварків пов’язана саме з не лінійністю рівнянь квантової хромодинаміки, що описують взаємодію кварків.

Найважче включити у загальну теорію гравітаційну взаємодію. Це обумовлене тим, що ЗТВ описує цю взаємодію геометрично, в той час як теорії інших взаємодій є польовими. Така всеосяжна теорія, що описує чотири види взаємодії, називається Супероб'єднанням.

5.3 Єдиний тип симетрії

У природі існують різні типи симетрії: геометричні, дзеркальні, негеометричні. Серед негеометричних виділяють так звані калібрувальні симетрії. Калібрувальні симетрії мають абстрактний характер і безпосередньо не фіксуються. Вони пов’язані із зміною відліку рівня, масштабу або значення деякої фізичної величини. Система має калібрувальну симетрію, якщо її природа залишається незмінною при такому роді перетвореннях. Це означає, що хвильова функція, яка визначає поле, повинна бути інваріантною відносно перетворень вигляду exp (ia), де і - уявна одиниця; a — деяка стала.

Калібрувальні перетворення можуть бути глобальними і локальними. Калібрувальні перетворення, що змінюються від точки до точки, відомі під назвою «локальних калібрувальних перетворень». В природі існує цілий ряд локальних калібрувальних симетрій, тому необхідне відповідне число полів для компенсації цих калібрувальних перетворень. Таким чином, силові поля частинок-переносників можна розглядати як засіб, за допомогою якого в природі створюються властиві їй локальні калібрувальні симетрії. Значення концепції калібрувальної симетрії полягає в тому, що завдяки їй теоретично моделюються всі чотири фундаментальні взаємодії, що спостерігаються у природі. Всі фундаментальні взаємодії в природі можна розглядати як калібрувальні поля.

Ідея об'єднання сил у природі базується на двох постулатах:

1) існує єдиний тип симетрії взаємодії;

2) існує єдиний тип симетрії, що характеризує фундаментальні елементарні частинки.

Розглянемо спочатку перший постулат. Раніше наводилися приклади симетрії - геометричної і внутрішньої. Геометричні симетрії визначають лише закони збереження енергії, імпульсу і моменту імпульсу, тобто загальні закони, справедливі для будь-яких динамічних рівнянь. В цьому значенні вони ніяк не сприяють пошукам рівнянь єдиної теорії. Істотно більшу обмежуючу роль виконують внутрішні квантові числа. Вже вказувалося на те, що квантові числа обмінних частинок визначають характер взаємодії. Проте, при такому підході створюється враження ізольованості взаємодій, оскільки квантові числа обмінних частинок здаються дуже різними. Все ж між ними є і деяка схожість: спіни обмінних частинок трьох взаємодій однакові і дорівнюють одиниці. Ця обставина і є та спільність, яка сприяє об'єднанню. Універсальність калібрувальної інваріантності - одна з основ об'єднання взаємодій.

Інша спільність пов’язана з узагальненням властивостей фундаментальних елементарних частинок. Під фундаментальними частинками розуміють об'єкти, з яких складається вся решта суб’ядерних частинок. Зрозуміло, що такими частинками повинні бути ферміони. Дійсно, з частинок з напівцілим спіном можна утворити бозони з цілим спіном (½+1/2=1), але неможливо з бозонів скласти ферміони (1+1=2). Частинки, що мають розмір теж не можуть бути фундаментальними.

Виявляється, під визначенням фундаментальних частинок потрапляє дуже невелика кількість. До таких частинок належать перш за все лептони і, можливо, кварки. Елементарність лептонів випливає з експериментальних даних, які свідчать, що розміри електронів і мюонів < см, а також теоретичних міркувань. Дійсно, квантова електродинаміка — теорія, що описує поведінку заряджених лептонів, базується на уявленні про їх точковість і при цьому чудово узгоджується з експериментом.

Більш проблематичне тлумачення про фундаментальність кварків. Виміряти надійно розміри кварків на сучасному рівні розвитку науки не можливо. Але поки що немає беззаперечних експериментів, які суперечать їх точковості. Та обставина, що всі адрони складаються з кварків, — серйозний аргумент на користь їх дійсної «фундаментальності».

Отже, об'єднання повинне здійснюватися на основі лептонів і кварків. Електрослабка взаємодія не включає сильної, тому таке об'єднання повинно включати лише лептони. Найпростіший варіант об'єднання — припущення, що кожний лептон і відповідне йому нейтрино утворюють аналог ізотонічного мультиплету (дублет).

Складнішим є об'єднання обмінних частинок. Потрібно об'єднати фотон, переносник електромагнітної взаємодії і важкі бозони (з масою 100ГеВ), що переносять слабку взаємодію. Цю задачу успішно розв’язали Вайнберг, Глешоу і Салам, за що і одержали Нобелівську премію у 1979 році.

У цій теорії існує чотири поля: електромагнітне і три поля, що відповідають слабкій взаємодії. Крім того, введене стале на всьому просторі скалярне поле (поле Хігса), з яким частинки взаємодіють по-різному, що і визначає відмінність їх мас. Кванти скалярного поля є новими елементарними частинками з нульовим спіном. Їх називають хігсовими. Число різновидів хігсових бозонів, що передбачені різними варіантами теорії, може досягати декількох десятиліть, але найбільш популярними є теорії з двома видами бозонів. Дослідним шляхом такі бозони не знайдені, хоча оцінками, зробленими у 2001 році, їх маса повинна складати 144,4−196 ГеВ. Ці енергії цілком досяжні для сучасних прискорювачів.

З теорії електрослабкої взаємодії випливає, що при енергіях, які перевищують 100 ГеВ, слабкі та електромагнітні сили неможливо розпізнати. Разом з тим, симетрія між силами спонтанно порушується при енергіях, які ми спостерігаємо у повсякденному житті (на відстанях r> м). Це явище можна розглядати як деякий фазовий перехід.

У процесі порушення симетрії - і - бозони захоплюють частинки Хіггса, в результаті чого набирають маси. Фотон же частинку Хіггса не поглинає і залишається безмасовим. Спостережувана відмінність властивостей електромагнітної і слабкої взаємодій пояснюється особливостями характеристик їх частинок-переносників. Якщо до фазового переходу обидві взаємодії були близькими за величиною, порушення симетрії спричиняє різке ослаблення слабкої взаємодії, оскільки її переносники — і - частинки є дуже масивними.

Таким чином, у сучасній схемі електрослабкої взаємодії при малих енергіях електромагнітна взаємодія переноситься фотонами; слабка — - і - бозонами. При великих масах (енергіях) існує єдина взаємодія, яка передається усіма чотирма частинками.

Проміжні бозони були виявлені у 1982 — 1983 роках двома групами фізиків у ЦЕРНі. Експерименти проводилися на прот-антипротонному колайдері - в якому взаємодіяли зустрічні пучки протонів і антипротонів, кожний з яких прискорювався до енергії 270 ГеВ. Було встановлено, що маса — бозонів дорівнює 80,48 0,091 ГеВ, а — бозона 91,187 0,007 ГеВ, ці величини добре узгоджуються з прогнозами теорії.

Проміжні , — бозони — нестабільні частинки, час їх життя складає всього t 3 с. Незважаючи на це, їх народження надійно встановлюється за природою і енергією продуктів розпаду.

5.4 Велике об'єднання

В 70−90 — роки ХХ століття було розроблено декілька, конкуруючих між собою теорій Великого об'єднання. Найперша з них запропонована Джорджі і Глешоу у 1974 році. Більшість цих теорій є калібрувальними і базується на використанні групи симетрії SU (5).

З фізичної точки зору всі варіанти теорії Велике об'єднання базуються на одній і тій же ідеї. Якщо електрослабка і сильна взаємодії насправді є лише двома сторонами єдиної взаємодії, то останнім також має бути притаманним калібрувальне поле з деякою складною симетрією. Ця симетрія повинна бути достатньо загальною, здатною охопити всі калібрувальні симетрії, що містяться в квантовій хромодинаміці, і в теорії електрослабкої взаємодії. Пошук такої симетрії - головне завдання на шляху створення єдиної теорії сильної і електрослабкої взаємодії. Існують різні підходи, що породжують конкуруючі варіанти теорії Велике об'єднання, проте всі ці гіпотетичні варіанти мають ряд загальних особливостей.