Хван М.П. Неистовая Вселенная: От Большого взрыва до ускоренного расширения, от кварков до суперструн
Подождите немного. Документ загружается.
Я н ко С л ава (Б и бл и отека Fort/Da) || http://yanko.lib.ru
Х ван М акси м П етро ви ч. Н еи стовая В сел ен н ая: О т Б о льш о го взры ва до ускор ен н ого
ра сш и рен и я , о т квар ков до суп ер стр ун . — М .: Л Е Н А Н Д , 2 0 0 6 . — 40 8 с.
111
111
1. И м ен н о он является автором разработки общ его вида электрослабой теори и как
кали бровочной теории; ф ун дам ен тальн ы м п ри н ц и п ом , леж ащ и м в осн овани и ее
структуры , является полож ен и е о том , что си лы взаи м одей стви й ген ери рую тся
зарядам и .
2. Ш . Г лэш оу п редсказал теорети чески сущ ествован и е ней тральн ы х токов — Z
0
,
которое бы ло эксп ери м ен тально откры то в 1974 г.
3. И м ен н о Ш . Г лэш оу п ри н адлеж и т предсказан и е о сущ ествован и и четвертого
кварка — charm (очарован и е): эксп ери м ен тальн ое обн аруж ен и е очарован н ого
кварка и очарованн ого анти кварка в Б рукхей венской (С . Т ингом ) и С тенф ордской
(Б . Р ихтером ) лабораториях С Ш А стало п одли н н ой сен сац и ей , названной
настоящ ей ноябрьской револю ц и ей 1974 г.
С оздатель электрослабой теории как кал и бровочной теори и (т. е. в общ ем виде
си м м етри чн ой ), как отм ечает сам Ш . Г лэш оу, н е знал, каков м ехани зм п ри обретени я
пром еж уточн ы м и векторны м и бозон ам и W
±
и Z
0
м ассы и как они становятся
м асси вн ы м и части ц ам и, величина которы х в 100 раз п ревы ш ает м ассу про тон а: м асса
W
±
- и Z
0
-бозон ов равн а 100 Г эВ .
П оэтом у вы даю щ ей ся заслугой С . В ай н берга и А . С алам а (П акистан) является
глубокое и н туи ти вное и теорети ческое осозн ани е спон танн ого наруш ен и я си м м етри и
и действия м ехани зм а Х иггса: еди н ая электрослабая теори я обл адает SU
(2)
xU
(1)
-
кали бровочной инвари антн остью при всех кали бровочны х преобразовани ях. Э та
SU
(2)
x U
(1)
-кали бровочная и н вариантность как сим м етри я сп онтанн о наруш ается, и в
результате действия м ехани зм а Х иггса пром еж уточн ы е векторн ы е бозоны W
±
и Z
0
как безм ассовы е п ри обретаю т м ассу, при этом больш ую м ассу. М ехан и зм Х и ггса —
взаи м одействие реальн ого м ира частиц с ф и зи чески м вакуум ом как м и ром
виртуальны х части ц и ан ти части ц : структура вакуум а сп онтан н о наруш ает
си м м етри ю SU
(2)
x U
(1)
-кaлибровочн ой и н вари антн ости, и пром еж уточн ы е бозоны
W
±
и Z
0
приобретаю т м ассу и становятся тяж елы м и (т. е. м асси вны м и ) части ц ам и,
осущ ествляю щ и м и в качестве п ереносчи ков слабы е взаим одействи я. В результате
слабы е взаим одействия стали сравним ы м и с электром агн и тны м и взаим одействиям и :
слабы е взаим одей ствия стали «си льны м и », сои зм ери м ы м и с электром агнитн ы м и
взаи м одействиям и.
П оэтом у еди н ая электрослабая теори я — творен и е трех вы даю щ ихся учены х Ш .
Г лэш оу (Г арвард), С . В ай н берга (Г арвард) и А . С алам а (ум ер в 1989 г., трагически
неп он яты й своим н ародом — пакистан ц ам и. О н в п оследни е годы работал в
Л ахорском ун и верситете: Б ин азир Б хуто, будучи прем ьер -м и н и стром , отказалась
принять Н обелевского лауреата — вели кого сы н а П аки стан а А дбуса С алам а).
В ф илософ ском ракурсе слабы е взаим одействия (как н а уровн е ядерн ой м атери и ,
так и на уровн е субъядерной м атери и ) ф ундам ентальн ы : он и дем онстри рую т
ф и лософ скую м ани ф естаци ю о внутренн ей н естаби льн ости м атери и . Н естабильность
— сущ ностная п рирода м атерии .
Ф илософ ский анали з слабы х взаим одей ствий показал ф ундам ентальн ую
значим ость слабого распада как п оказателя н естабильности части ц м атерии н а
уровнях ядерны х и субъядерн ы х си л взаи м одей ствий : распад — это одн а и з сем и
асим м етри чн ы х стрел наш ей В селен н ой Р . П ен роуза наряду с расш и рен и ем ее,
возрастани ем эн троп и и , со стрелой врем ен и , асим м етри ей причи н н ости ,
асим м етри ей вещ ества над антивещ еством , запазды ван и ем излучени я от и сточн и ка
— в ц елом н аш а В селен н ая асим м етри чн а.
Я н ко С л ава (Б и бл и отека Fort/Da) || http://yanko.lib.ru
Х ван М акси м П етро ви ч. Н еи стовая В сел ен н ая: О т Б о льш о го взры ва до ускор ен н ого
ра сш и рен и я , о т квар ков до суп ер стр ун . — М .: Л Е Н А Н Д , 2 0 0 6 . — 40 8 с.
112
112
А сим м етри чн ы ф ундам ен тальн ы е при н ц и п ы , леж ащ и е в сам ом глубоком и
уни версальном основан и и наш ей В селенн ой и по сущ еству оп ределяю щ ие общ ую
эволю ц и ю ее.
В 60-70-е гг. Х Х в. бы ла сф орм улирован а К Х Д как калибровочная теори я связи
кварков в структуре адрона: по сущ еству, с п ом ощ ью ш ести кварков и трех цветов
опи сы вается весь м и р адронов как сильн овзаим одействую щ и х частиц .
В процессах обнаруж ен и я п ром еж уточны х бозонов W
±
и Ζ
0
бы л обнаруж ен top-
кварк, которы й распадается в реакц и и
t — > b (bottom-кварк) + W (м асси вны е
бозон ы ). (м асса top-кварка = 160 Г эВ )
С ледовательно, top-кварк весьм а и н тересен тем , что он распадается н а b-кварк и
W
±
-бозон ы , осущ ествляю щ и е электрослабы е взаим одей ствия: этот и склю чительн о
интересн ы й ф акт наводи т н ас н а м ы сль о вн утрен н ей си м м етри и электрослабы х и
кварк-глю онны х цветовы х взаим одей ствий.
В сторон е от этой дороги объедин и тельн ого п роцесса всегда находилась и до
си х пор находи тся грави таци я: гравитаци я всегда н аходится особняком от этой
столбовой дороги калибровочн ы х объеди н и тельн ы х теори й .
Г лавная и основная трудность в создан и и кван товой теори и грави таци и — это
проблем а квантовани я. К ак отм ечает М . К аку в своей кни ге «В ведени е в теорию
струн », наи вн ая вера кван товани я О Т О Э й н ш тейн а всегда безусп еш н о кон чалась.
О Т О Э й н ш тей н а — классическая теори я, как отм ечает С ти вен Х окин г в своей книге
«К раткая и стори я врем ен и », п оэтом у ее законы долж н ы наруш аться вбли зи
си н гулярности в черн ой ды ре как бесконечной п лотн ости м атери и (м ассы и эн ергии )
и искривленн ого п ространства-врем ен и : О Т О н епри м ени м а к си н гулярн ой точке в
черн ой ды ре. Н еобходи м о создани е кван товой теори и м икрограви таци и , осн ованн ой
на кали бровочной теори и , обязательн ы м требовани ем которой является, как м ы
отм ечали , наряду с други м и требовани ям и , п еренорм и руем ость, а общ ая теори я
отн оси тельн ости н е является перенорм и руем ой .
И все ж е и з м н ож ества трудн остей постро ени я теори й В ели кого объедин ени я
главн ой является отсутствие связи грави тации с ф и зи кой элем ен тарн ы х части ц , тем
более в план ковски х м асш табах длин ы 10
-33
см и м ассы 10
19
Г эВ возн и кает
настоятельн ая необходим ость учета грави таци он н ы х поп равок (эф ф ектов).
И так, два типа ф ундам ен тальн ы х взаи м одействи й — С Л В и Э М В —
объеди н ены в еди н ой теори и электрослабы х взаим одействий, а трети й
ф ун дам ен тальн ы й ти п кварк-глю онны х взаим одействий п редставлен в К Х Д , а
грави тация н и с какой стороны н е связана с м и ром элем ентарны х части ц : грави тация
безраздельно госп одствует в м и ре круп н ом асш табн ы х структур В селен н ой . П оэтом у
проблем а связи ф изики элем ен тарны х частиц и косм ологи и н е м ож ет бы ть реш ен а в
принципе без создания квантовой теории м икрогравитаци и (м ы согласн ы с м н ени ем
автора кн и ги «М акроскопическая гравитац и я» Захарова, которы й предлагает
провести четкую дем аркаци ю м еж ду м акроскоп и ческой и м и кроскоп и ческой
грави тацией ).
К теори ям Б ольш ого объедин ени я м ы отн осим следую щ и е м одели , над
которы м и ф и зи ки -элем ен тарщ ики работаю т:
1. Э то м одель Д ж ордж и — Г лэш оу SU
(5)
= SU
(3)
SU
(2)
U
(1)
. Е стественно
стрем лен и е к объединен и ю двух ф орм ировавш и хся калибровочн ы х теори й — еди н ой
теори и электрослабы х взаи м одей ствий и кван товой хром одинам и ки (К Х Д ): целью
этого
Я н ко С л ава (Б и бл и отека Fort/Da) || http://yanko.lib.ru
Х ван М акси м П етро ви ч. Н еи стовая В сел ен н ая: О т Б о льш о го взры ва до ускор ен н ого
ра сш и рен и я , о т квар ков до суп ер стр ун . — М .: Л Е Н А Н Д , 2 0 0 6 . — 40 8 с.
113
113
объеди н ени я двух калибровочн ы х теори й является, безусловн о, объединен и е
всех трех ф ундам ен тальн ы х взаим одействи й в еди н стве. И ны м и словам и, на основе
расш ирен н ой сим м етри и SU
(5)
осущ естви ть объеди нен и е трех ти п ов взаим одей стви й
части ц м еж ду собой : во-первы х, как отм ечаю т авторы кн иги «А строф и зика
элем ентарн ы х части ц » Г . В . К лай дор -К лай н гротхаус и К . Ц ю бер, группа сим м етрии
SU(
5
) долж на бы ть простой ; во -вторы х, он а долж на бы ть единственной кон стан той
связи; в-третьи х, с одним м ульти п летом , члены которого долж н ы бы ть
си м м етри чн ы м и , т. е. взаи м оп ереходим ы м и друг в друга.
Г руп п а SU
(5)
как п ростая и расш ирен н ая долж н а содерж ать группу SU
(3)
SU
(2)
U
(1)
в качестве п одгруп п ы , что означает установлен и е м еж ду груп п ой SU
(5)
и подгрупп ой
си м м етри и : SU
(3)
SU
(2)
U
(1)
являю тся п одгруппам и группы SU
(5)
Н а ф илософ ском
язы ке это означает, что в более п ростой и расш ирен н ой групп е SU
(5)
си льны е кварк-
глю онн ы е и электрослабы е взаи м одей стви я долж н ы бы ть тож дественны , т. е.
иден тиф и ц и рован ы : он и долж н ы бы ть си м м етри чн ы м и.
О сновн ая идеологи я расш ирен и я груп пы
си м м етри и заклю чается в п оп ы тке и денти ф и кац и и , т. е.
си м м етри заци и трех различн ы х ти п ов взаи м одей ствий — Э М В , С Л В и С В . Э то —
ф орм альн о-теоретическая сторона. А как реальн о осущ естви ть эту и дентиф и каци ю
электрослабы х и сильны х цветны х взаим одей стви й?
То есть вопрос стоит, как ф изически реальн о возм ож на эта сим м етри зац и я этих
трех тип ов взаим одействий? Н о п оскольку в еди н ой теори и электрослабы х
взаи м одействий осущ ествлен а эта сим м етри заци я двух ти п ов взаим одействий —
слабы х и электром агнитн ы х, п остольку в данн ом случае речь идет о си м м етри зац и и в
рам ках группы SU
(5)
как п ростой и расш и ренн ой двух ти п ов взаим одействи й —
электрослабы х и сильны х ц ветн ы х взаи м одей стви й : как сделать так, чтобы
электрослабы е си лы стали таким и ж е си льны м и, как сильны е ц ветны е
взаи м одействия? Э то м ож но осущ ествить в том случае, если при вы соких энерги ях
10 Г эВ все три константы си л долж н ы сли ваться в одн у точку: все три кон стан ты
связи слабы х, электром агн и тны х и сильн ы х ц ветны х взаи м одей стви й долж ны им еть
одну и ту ж е константу сил. К онстанты сил н аходятся в зависим ости от энерги и ,
им ен н о п оэтом у при очен ь вы соких эн ерги ях 10
15
Г эВ (пока он и недостиж и м ы на
соврем ен н ы х ускори телях -коллай дерах) все три кон стан ты связи сли ваю тся в одну
кон станту связи (ри с. 1.18).
Р и с. 1.18
Е щ е раз м ы подчерки ваем , что групп а SU
(5)
долж на бы ть п ростой , вклю чаю щ ей
в качестве своей п одгруп п ы SU
(3)
SU
(2)
U
(1)
и эта группа SU
(5)
долж на бы ть
групп ой с одн ой един ствен н ой констан той си л: SU
(5)
— груп п а с еди н ствен н ой
кон стантой сил.
Я н ко С л ава (Б и бл и отека Fort/Da) || http://yanko.lib.ru
Х ван М акси м П етро ви ч. Н еи стовая В сел ен н ая: О т Б о льш о го взры ва до ускор ен н ого
ра сш и рен и я , о т квар ков до суп ер стр ун . — М .: Л Е Н А Н Д , 2 0 0 6 . — 40 8 с.
114
114
А теперь посм отри м , как реально прои сходи т си м м етри зац и я разли чн ы х
элем ентарн ы х части ц — кварков и леп тон ов: кварки — ф ерм и он ы си льны х ц ветн ы х
взаи м одействий , а леп тон ы (е
+
и е) — ф ерм и он ы электрослабы х взаи м одей ствий . Н а
первы й взгляд, эти тип ы взаи м одей стви й , такж е как и слабы е и электром агни тны е
взаи м одействия до создания и х еди н ой теори и , несравни м ы и н есои зм ери м ы :
электрослабы е и си льны е цветны е взаи м одей ствия, дей ствительно, несравни м ы и
несои зм ерим ы п ри н и зких эн ергиях, а п ри эн ергиях 10
15
Г эВ они стан овятся н е
только сравни м ы м и и сои зм ерим ы м и , но и тож дественн ы м и , и ден тичн ы м и , т. е.
си м м етри чн ы м и .
А когда м ы м ож ем утверж дать, что силы электрослабы х и си льны х ц ветны х
взаи м одействий тож дественн ы , и дентичн ы , сим м етри чн ы ? В том случае, если кварки
и леп тон ы будут находи ться в одном м ульти п лете и в нем они взаим оп ереходи м ы
друг в друга, м ы убеди м ся в тож дестве двух сил электрослабы х и сильн ы х цветны х
взаи м одействий : взаим оп ереходи м ость, взаим опревращ аем ость кварков и лептон ов
показы вает глубокое еди н ство всех трех ф ундам ен тальны х ти п ов взаи м одействий —
слабы х, электром агн и тны х и си льны х ц ветны х взаим одействий. С ледовательно,
групп а сим м етри и SU
(5)
как простая с един ствен н ой кон стан той си л при вы соких
энерги ях 10
15
Г эВ показы вает взаим опереходи м ость и взаи м опревращ аем ость кварк ов
и лептон ов и, тем сам ы м , сим м етри ю сил электрослабы х и сильны х ц ветны х
взаи м одействий .
— группа н азы вается стандартн ой м оделью ф и зи ки
элем ентарн ы х частиц : в ней сущ ествую т два м ульти п лета:
1) в м ульти п лете н аходятся кварки и леп тон ы , которы е взаи м оперехо ди м ы ;
2) во втором м ульти п лете находятся бари он ы и леп тоны , которы е такж е
взаи м оп ереходи м ы .
П роблем а взаи м опереходи м ости леп тон ов и бари онов им еет ф ундам ен тальн ы й
ф и лософ ский см ы сл, ибо она ставит вопрос о распаде п ротона, а распад протона —
это проблем а нестабильн ости м атери и . П очем у? Д а потом у что вещ ество в наш ей
В селенной состои т в основн ом из водорода — 75 % вещ ества и только 23 %
приходит н а гели й : п ротон — это осн овн ой строи тельны й м атери ал в водороде и,
следовательно, и вещ естве, а вещ ество — это вопрос о стаби льности В селенн ой :
p -> водород -> вещ ество -> В селенная.
П оэтом у для ф илософ ии воп рос о распаде протона — проблем а нестаби льности
вещ ества в наш ей В селенн ой, да и сам ой В селенной. В оп рос о распаде протон а —
очен ь слож ны й вопрос: в одной тонне вещ ества содерж ится 6 · 10
29
нуклонов, и
м ож н о ож и дать распад одного протон а за десятилети е. П оэтом у все эксперим ен ты по
поиску распада п ротон а п ока бы ли неуспеш н ы м и .
И так, стандартная м одель ф и зи ки элем ен тарны х частиц
реш ила ф ундам ентальн ую задачу объедин ени я электрослабы х и си льны х цветовы х
взаи м одействий , т. е. трех си л.
С ам ое важ ное в един ой теори и электрослабы х взаи м одей стви й — это м ехани зм
сп он танн ого н аруш ен и я си м м етри и Х иггса, в результате действи я которого как
ф ерм ион ы — е
-
и е
+
, так и бозон ы — — при обретаю т м ассу: бозон ы W
±
и Ζ
0
как пром еж уточн ы е векторны е части ц ы становятся м ассивны м и, что делает п ри
опреде-
Я н ко С л ава (Б и бл и отека Fort/Da) || http://yanko.lib.ru
Х ван М акси м П етро ви ч. Н еи стовая В сел ен н ая: О т Б о льш о го взры ва до ускор ен н ого
ра сш и рен и я , о т квар ков до суп ер стр ун . — М .: Л Е Н А Н Д , 2 0 0 6 . — 40 8 с.
115
115
лен н ом уровне эн ергии 100 Г эВ слабы е взаи м одей стви я сравни м ы м и
(сои зм ерим ы м и ) с электром агн и тны м и взаи м одей стви ям и .
С ам ое важ ное в постр оен и и К Х Д — это введен и е доп олнительной степ ени
свободы кваркам и глю онам . К варки как ти п ы частиц назы вали аром атам и: аром ат
кварка как оп ределенн ы й тип частиц ы (u, d, s) в сильны х взаим одей ствиях остается
неи зм енн ы м , а цвет кварка м ен яется, u-кварк (красн ы й ), п оглощ ая и и злучая глю оны ,
м ож ет стать зелены м u-кварком , а зелены й — син и м и т. д.
Г лавная специ ф и ка кварковой м атери и состои т в распаде кварков.
О ди н d-кварк в n
0
расп адается н а u-кварк в протоне:
Н а этой схем е м ы В И Д И М , Ч Т О распад d-кварка на u-кварк соп ровож дается
одноврем енн о эм иссией W
±
части ц ы , которая распадается в свою очередь н а два
леп тон а — е и v
c
. О тм етим , что эм иссия W
-
-частиц ы н е наблю даем а, п отом у что она
— ви ртуальная, которая рож дается и и счезает за врем я 10
-24
с. М ы получаем
инф орм ацию о н ей п о ее п родуктам — е и v
c
, которы е ф и кси рую тся в экспери м ен те.
С лабы й расп ад кварков ин тересен и сущ ественен в том ф илософ ском
поним ан и и , что, во-п ервы х, в слабы х взаим одействи ях изм ен яется аром ат кварка:
один аром ат кварка как его тип превращ ается в другой аром ат кварка:
d -> u.
Во-вторы х, слабы й расп ад одного аром ата кварка в другой аром ат другого
кварка соп ровож дается эм и ссией ви ртуальной W
-
-частиц ы , которая является
пром еж уточн ы м векторны м бозоном , осущ ествляю щ им слабы е взаим одействи я в
электрослабы х взаи м одей ствиях: расп ад ф ун дам ен тального ф ерм и он а кварка
порож дает бозон . П оэтом у н ам представляется, что и м ен н о в п орож дени и бозона
ф ун дам ен тальн ы м ф ерм ион ом -кварком п роявляется суп ерсим м етри я как бозонн о -
ф ерм ион н ая си м м етри я. Н акон ец, в-третьих, и зм ен ени е аром ата кварка
соп ровож дается образован и ем лептон ов — е и v
c
: кварки превращ аю тся в лептон ы .
Значит, в слабы х взаи м одей ствиях леп тон ы м огут бы ть образован ы и з распада
кварков: кварки переходи м ы в лептоны .
Э то яви лось одним из экспери м ентальн ы х осн ован и й необходи м ости и
возм ож ности осущ ествлен и я Б ольш ого объеди н ения.
Т еори я Б ольш ого объеди н ени я основана преж де всего на и деологи и сим м етри и
м еж ду ф ун дам ен тальны м и ф ерм ионам и — кваркам и и леп тон ам и. А суп ерсим м етри я
как логическое продолж ен и е и осущ ествлен и е и деологи и сим м етри и м еж ду
ф ун дам ен тальн ы м и ф ерм ион ам и (как кваркам и , так и леп тон ам и) и кали бровочны м и
бозон ам и (4 — γ, W
+
, W
-
и Ζ
0
, осущ ествляю щ им и электрослабы е взаим одействи я, и 8
глю онов для м еж кварковы х цветны х взаи м одей стви й ).
И так, м ы и м еем две ф ундам ентальн ы е сим м етри и :
1) кварк-лептонная си м м етри я,
2) бозон -ф ерм ион н ая сим м етри я.
К ак и звестн о, когда в 1964 г. независим о друг от друга М .Г елл -М анн и Д . Ц вейг
построи ли кварковую м одель, он и оп ери ровали трем я кваркам и — u, d и s. Д о 1974
г., т. е. в течен и е 10 лет, м н огие ф и зики рассм атривали кварки как м атем а-
Я н ко С л ава (Б и бл и отека Fort/Da) || http://yanko.lib.ru
Х ван М акси м П етро ви ч. Н еи стовая В сел ен н ая: О т Б о льш о го взры ва до ускор ен н ого
ра сш и рен и я , о т квар ков до суп ер стр ун . — М .: Л Е Н А Н Д , 2 0 0 6 . — 40 8 с.
116
116
ти чески е си м волы для опи сан и я, но н е как реальн ы е структурны е ком п он енты
ф и зи ческой м атерии .
Р еволю ц и он н ы й переворот в представлен и и о кварках п рои сходи т в ноябре 1974
г., которы й п о праву ф и зи ки окрести ли «ноябрьской револю цией » в ф изике кварков:
бы л откры т одн оврем енн о в двух лаборатори ях С Ш А (в Б рукхейвенской под
руководством С . Т и н га и С тенф ордской п од руководством Б . Р и хтера)
предсказанн ы й Ш . Г лэш оу очарованн ы й кварк — с: п осле экспери м ентальн ого
обнаруж ени я чарм он и я как связан н ой систем ы , т. е. пары очарован н ы х кварка и
ан ти кварка, вопрос о реальности кварков бы л сн ят.
Н о сам ое зам ечательн ое заклю чается в том , что с откры ти ем очарованн ого
кварка бы ла восстановлен а кварк-леп тон н ая си м м етрия: чи сло ф ун дам ен тальны х
ф ерм ион ов — кварков равно чи слу ф ун дам ен тальн ы х ф ерм ион ов — леп тон ов.
К ак м ы видим , в каж дом п околени и ф ун дам ен тальн ы х ф ерм и онов п оровну
леп тон ов и кварков: кварк-лептон н ая сим м етри я является вы раж ени ем равенства
чисел кварков (4) и лептон ов (4). Т ребовани е сим м етри и м еж ду кваркам и и
леп тон ам и представляет собой ф ундам ентальн ы й закон природы . О дн ако уж е через
год п осле откры тия четвертого, очарованн ого кварка — с, в 1975 г. бы ли
эксперим ен тально обн аруж ены сам ы й тяж елы й τ(тау)-лептон и соответствую щ ее ем у
тау-лептон н ое н ейтри н о ν
τ
. Т аки м образом , леп тон ы как ф ун дам ен тальн ы е ф ерм и он ы
составляю т н е два поколени я, а три:
Т аки м образом , опять бы ла н аруш ена кварк-лептон н ая сим м етри я: число
ф ун дам ен тальн ы х кварков — 4 и составляет два п околения: u, d и с, s, а
ф ун дам ен тальн ы х лептон ов — 6 и составляю т три п околен и я: е, v
e
; μ, ν
μ
и τ, τ
ν
Ф изи ки -сп еци али сты в этой теоретико -п ознавательной си туаци и глубоко бы ли
убеж дены в ф ун дам ен тальн ой незы блем ости и справедли вости закона природы —
закона кварк-леп тон н ой си м м етри и . П оэтом у они вери ли в реальное сущ ествован и е
третьего поколени я и кварков. Т ем более ещ е до «ноябрьской револю ции» 1974 г., т.
е. до откры ти я с-кварка, два яп он ских учены х М . К обаяш и и Т . М асква разработали
теорети ческую схем у, согласн о которой слабое взаи м одей ствие п ри води т к СР-
иесохранени ю . П оэтом у они считали , что необходим о третье п околени е
ф ун дам ен тальн ы х тяж елы х кварков, слабы й расп ад которы х м ож ет служ ить
ф и зи чески м проц ессом , «ответственны м » за СР-н есохран ени е.
Я н ко С л ава (Б и бл и отека Fort/Da) || http://yanko.lib.ru
Х ван М акси м П етро ви ч. Н еи стовая В сел ен н ая: О т Б о льш о го взры ва до ускор ен н ого
ра сш и рен и я , о т квар ков до суп ер стр ун . — М .: Л Е Н А Н Д , 2 0 0 6 . — 40 8 с.
117
117
Н ачался п ои ск кварков третьего п околени я, которы й увен чался откры ти ем
пятого тяж елого кварка — b, которы й расп адается в слабы х взаи м одей ствиях п о
схем е:
А последний, сам ы й тяж елы й кварк (т. е. ш естой ) — t (топ -кварк) бы л откры т,
как отм ечаю т в своей кни ге «В веден и е в эксп ери м ен тальн ую ф и зику части ц » Ю .
Л ю бим ов и Д . К иш , через 18 лет после эксп ери м ен тальн ого откры ти я b-кварка, в
1995 г. (№ , 2001. С . 199-206).
Т ак бы ла восстан овлен а кварк-лептон н ая сим м етри я как ф ун дам ен тальн ы й
закон п ри роды :
Т еперь м ы ви дим , как и насколько важ на и сущ ествен н а идеологи я си м м етрии
как эп и стем ологического и м етодологи ческого п ри н ц и п а позн ани я в ф и зике частиц
— ф ун дам ен тальн ы х кварков и леп тон ов: си м м етри я является п ринципом н аучн ого
познани я, дви гателем и свети льни ком , указы ваю щ им н аикратчай ш ий п уть
пости ж ен и я м ира ф ундам ен тальн ы х ф ерм ионов — кварков и лептон ов.
Е стественно, как отм ечаю т авторы вы ш еуказан н ой кн и ги Ю . Л ю би м ов и Д .
К и ш , возн и кает вопрос: а почем у только три поколен и я ф ундам ентальн ы х
ф ерм ион ов? А почем у н е два или четы ре? Н а этот воп рос отвечаю т типы нейтри н о:
эксперим ен тально м н огократно установлено, что в м и ре м икрочасти ц сущ ествую т и
м огут сущ ествовать только три ти п а н ей три н о: v
e
, ν
μ
и ν
τ
. В соответствии с эти м
сущ ествую т только три п околени я лептонов:
В соответствии с трем я тип ам и нейтри н о сущ ествую т и три поколен и я кварков:
Б олее или м ен ее п ока ясн о одно — н азначени е и роль ф ун дам ен тальн ы х
ф ерм ион ов первого поколени я: в общ еф и лософ ском плане ф ерм и он ы первого
поколен и я
настолько важ ны и и граю т н езам ени м ую роль в сущ ествовани и вещ ества во
В селенной, что трудно даж е п ереоцени ть и х зн ачи м ость в н ей. В кон ечном счете все
вещ ество во В селенн ой (75 % водорода и 25 % гелия) состоит и з части ц п ервого
поколен и я
Я н ко С л ава (Б и бл и отека Fort/Da) || http://yanko.lib.ru
Х ван М акси м П етро ви ч. Н еи стовая В сел ен н ая: О т Б о льш о го взры ва до ускор ен н ого
ра сш и рен и я , о т квар ков до суп ер стр ун . — М .: Л Е Н А Н Д , 2 0 0 6 . — 40 8 с.
118
118
Н азначени е и роль ф ундам ентальн ы х ф ерм ион ов второго поколен и я не совсем
ясны п ока; ещ е не ясны м и остаю тся части ц ы третьего п околени я.
П ока м ы м ож ем сказать, что тяж елы й лептон тау распадается на μ, а μ — >е
-
. А
тяж елы е кварки — b и t — как нестаби льны е распадаю тся в слабы х взаим одей ствиях
на други е части ц ы :
О дн и м словом , тяж елы е кварки b и t третьего п околен и я м огут распадаться в
слабы х взаи м одействи ях и расп адаю тся на леп тон ы , бозон ы и кварки: они нуж н ы и
необходим ы для образован и я как лептон ов и кварков, так и бозон ов — W
±
.
И так, м ы ви ди м , что части ц ы — ф ерм ионы п ервого поколен и я являю тся
наи более устой чи вы м и и стабильн ы м и части ц ам и, образую щ и м и все вещ ество
В селенной. П оэтом у они и м ею т не только м и кроскопи ческое, но и косм и ческое,
косм ологи ческое значен и е: без ней три н о н аш а свеча С олнц е н е горела бы и не м огла
давать Зем ле и Зем ля — н ам свет и тепло.
Ч то касается тяж елы х кварков b и t, как счи таю т ф и зи ки -спец и али сты и
косм ологи , они, ви ди м о, и грали ф ундам ен тальн ую роль в сам ую ран н ю ю эп оху
рож ден и я В селенн ой , когда только началась ген ерац и я элем ен тарн ы х части ц .
П рирода не лю бит лиш н его и н е терп и т его: они зачем -то н уж н ы . В есь воп рос
заклю чается в том , кто их «заказал» и с какой ц елью ?
С точки зрен и я ф илософ ского ви дения м и ра м и крочасти ц важ но и сущ ественно
в при н ц и п и альн ом отнош ени и то, что схем а трех п околени й ф ундам ен тальн ы х
ф ерм ион ов показы вает глубокую внутрен н ю ю связь м еж ду ф ерм ион ам и (лептон ам и
и кваркам и ), их относи тельн ую п роти воп олож ность и взаим оп ереходи м ость такж е
ф ерм ион ов и бозон ов:
Э то обстоятельство является необходи м ой осн овой тео ри и Б ольш ого
объеди н ени я как си н теза ф ундам ен тальн ы х ф ерм и он ов. П оэтом у кварк -лептон н ая
си м м етри я является основополагаю щ им ф актором Б ольш ого объединен и я. О днако
нельзя рассм атри вать этот ф актор как единственны й для осущ ествлен и я Б ольш ого
объеди н ени я. Н а сам ом деле Б ольш ое объедин ени е долж н о п редставлять
ф ун дам ен тальн ую триаду: 1) ф ерм ион ы ; 2) бозоны ; 3) си ла взаи м одей стви я.
О ф ерм и он ах м ы достаточн о говори ли .
Б ольш ое объ еди н ени е, как К Х Д и электрослабая теория, долж н о бы ть теори ей
локальной калибровочной си м м етри и : главн ы м действую щ им ли ц ом является заряд,
ген ерирую щ ий си лу взаи м одействия.
Л окальная калибровочная сим м етри я долж на сохраняться при кали бровочн ы х
преобразован и ях: это — важ ней ш ее требован и е всех локальны х кали бровочны х тео -
Я н ко С л ава (Б и бл и отека Fort/Da) || http://yanko.lib.ru
Х ван М акси м П етро ви ч. Н еи стовая В сел ен н ая: О т Б о льш о го взры ва до ускор ен н ого
ра сш и рен и я , о т квар ков до суп ер стр ун . — М .: Л Е Н А Н Д , 2 0 0 6 . — 40 8 с.
119
119
рий . Э лектрослабая теория является локальной калибровочн ой теори ей: закон ом
сохран ени я является электри чески й заряд, н осителям и которого являю тся не только
ф ун дам ен тальн ы е ф ерм ионы — леп тон ы (е и е
+
), н о и таки е бозон ы , как п ереносчи ки
эти х ф ерм и он н ы х взаим одействи й : W
±
и W
-
. К ром е того, сохран яется ней тральны й
ток, носи телем которого является нейтральны й бозон — Z
0
.
С ледует отм ети ть, что теори я слабого четы рехком понентного распада Ф ерм и
не м ож ет бы ть кали бровочн ой теорией и н е является кали бровочн ой теорией , потом у
что в ней отсутствую т п ром еж уточн ы й кали бровочн ы й бозон, осущ ествляю щ ий
кали бровочны е ф ерм ионны е взаи м одей ствия. П оэтом у, как м ы уж е отм ечали в
наш ей работе, слабое взаим одействие является кали бровочны м только в един ой
электрослабой теори и : пром еж уточн ы м и кали бровочн ы м и бозон ам и -п ереносчикам и
являю тся три векторны е части ц ы — W
+
, W
-
и Z
0
, которы е при обретаю т м ассу в
результате С Н С (спон танн ого н аруш ен и я си м м етри и ) и действия м ехан и зм а Х иггса.
М ы об этом ещ е раз напом инаем , чтобы подчеркнуть ту ф и лософ скую м ы сль,
что локальн ая калибровочная теори я долж на отраж ать сущ ность ф ерм ионн ы х
взаи м одействий п осредством пром еж уточн ы х кали бровочны х бозон ов: си ла и
интен сивность ф ерм и он н ы х взаи м одействи й оп ределяю тся такж е и п ром еж уточн ы м и
кали бровочны м и бозонам и (как электри чески заряж енн ы м и — W
+
, W
-
, так и
ней тральн ы м током Z
0
):
Р и с. 1.19
П оэтом у м ы счи таем , что теория Б ольш ого объеди н ени я — SU
(5)
— в своем
наи п ростейш ем ви де долж на отраж ать и м енн о идеологи ю калибровочности :
кали бровочн ая сим м етри я (т. е. заряд) долж на сох ран яться п ри всех кали бровочны х
преобразован и ях ф ерм ион н ы х и бозонны х взаи м одействи й . Э то озн ачает
необходим ость п ри построен и и локальной кали бровочной теори и Б ольш ого
объеди н ени я учета не только ф ундам ен тальн ой кварк-лептон н ой си м м етри и , н о и
более глубокой и ф ун дам ентальн ой си м м етри и при роды — бозон н о-ф ерм ион н ой :
бозон н о-ф ерм и он н ая сим м етри я, сф орм ули рованн ая в теори и суп ерсим м етри и ,
является в ф и лософ ском виден и и и п он и м ани и м ироздан и я н есравни м о более н е
только глубокой сим м етри ей по сравнени ю с сим м етр и ей еди н ства всех
ф ун дам ен тальн ы х ф ерм ион ов — кварков и леп тонов, н о и является более
ради кально-револю ц и он н ы м изм ен ени ем н аш его м ироп он и м ани я: различие м еж ду
ф ерм ион н ой и бозон н ой м атерией
Я н ко С л ава (Б и бл и отека Fort/Da) || http://yanko.lib.ru
Х ван М акси м П етро ви ч. Н еи стовая В сел ен н ая: О т Б о льш о го взры ва до ускор ен н ого
ра сш и рен и я , о т квар ков до суп ер стр ун . — М .: Л Е Н А Н Д , 2 0 0 6 . — 40 8 с.
120
120
глубж е и ф ундам ен тальн ее, чем сущ ествую щ ее разли чи е м еж ду кв арковой и
леп тон н ой м атерией.
П оэтом у в и сследовани и бозонно-ф ерм ионн ой си м м етри и , как отм ечает
А н тон и о Д зики ки в своей книге «Т ворчество в н ауке» (Д зи кики является автором
проектов рр-и ее-коллайдеров в Ц Е Р Н е и руководителем лаборатори и в Ц Е Р Н е),
осн овн ая задача суперсим м етри и состои т в том , чтобы ф ерм и он ы обладали
свой ствам и бозон ов и, наоборот, бозоны обладали ф ерм ионны м и свой ствам и :
ф ерм ион н ая и бозонная м атерии долж ны бы ть взаим оп ревращ аем ы точно так ж е, как
кварковая и леп тон н ая м атери и , как м ы вы ясн и ли, взаи м оп ревращ аем ы .
К ак м ы увидели , тяж елы е кварки (b и t) в слабы х взаи м одей ствиях распадаю тся
на более легки е кварки и одн оврем ен н о этот процесс расп ада всегда соп ровож дается
эм и ссией виртуальны х бозон ов (W
+
, W
-
и Z
0
), которы е в свою очередь распадаю тся и
м огут распадаться на ф ундам ен тальн ы е ф ерм ион ы — кварки и леп тон ы :
В слабом расп аде тяж елого кварка b рож дается м асси вн ы й бозон — W (а такж е
м огут рож даться W
+
и Z
0
).
В озьм ем сам ы й тяж елы й кварк (точн ее, п ару ):
Значит, пара топ -кварка и ан ти топ -антикварка расп адается н а два b-кварка
(тяж елы е) и бозоны W
±
.
С ледовательно, м ы со всей очевидн остью види м , что тяж елы е кварки (b и t) в
слабы х взаи м одействиях распадаю тся н епрем ен н о на бозон ы (W
±
и Z
0
).
П оэтом у в ф и лософ ском ракурсе п роти вополож ность м еж ду ф ун дам ен тальн ы м и
ф ерм ион ам и (тяж елы м и кваркам и ) и калибровочны м и м асси вн ы м и бозонам и — W
±
и
Z
0
не следует рассм атри вать как абсолю тную , никогда не преодолим ую пропасть. Н а
сам ом деле эта п роти воп олож н ость м еж ду ф ерм ионам и и бозон ам и относи тельн а:
ф ерм ион н ая м атери я м ож ет стать на более глубоком уровне бозонной и, наоборот,
бозон н ая — ф ерм ион н ой . П очем у? П отом у что н ельзя абсолю ти зировать поняти е
сп и н а Д ирака и даж е стати стически е законы Ф ерм и — Д и рака и Б озе— Э й н ш тейн а.
С п и н , безусловно, ф ундам ен тальн ы й при н ц и п м и кром атерии , но не является и
не м ож ет бы ть всеобщ им п ри н ц и п ом всякой и лю бой м и кром атерии : Х и ггсова
м атерия, как п редполагаю т ф и зики -теорети ки, не и м еет сп и н и , следовательно, она н е
подчиняется ни закону стати стики Ф ерм и — Д и рака (1/2), н и закону Б озе—
Э й н ш тейн а (0, 1, 2). И н ы м и словам и , п ри всей важ ности и значи м ости поняти я спи н а
Д ирака он о н е м ож ет служ и ть п реградой для реали зац и и бозон н о -ф ерм ионн ой
си м м етри и : ф ерм ионн ая и бозон н ая м атери я — генети чески и исторически ставш и е
ф и зи чески е реальности, и з н екоторого более глубокого и ф ундам ентального единого
изначала. С точки зрен и я ф и лософ ского м и ропоним ан и я бозон н ая и ф ерм ион н ая
м атерия, точн о так ж е, как и кварковая и леп тон н ая м атери я, сей час соверш ен н о
ясно, в кон тексте теори и Б ольш ого взры ва и и н ф ляци о н н ой В селенн ой есть нечто
ген етически возни кш ее и и стори чески ставш ее из еди н ого н ачала — си н гулярности .