Мечта Эйнштейна. В поисках единой теории строения - Барри Паркер

В последние несколько лет предпринимались активные попытки построения новой теории. При этом, естественно, ставилась цель найти простое семейство, содержащее меньше частиц, чем сейчас; тогда кварки и лептоны состояли бы из более фундаментальных частиц, а второе и третье поколения описывались бы как возбуждённые состояния. Такую теорию предложили в 1974 году Салам и Пати. Свои фундаментальные частицы они назвали преонами; из них можно строить все кварки и лептоны. Однако их теорию никак нельзя назвать удовлетворительной: в ней, в частности, требуется не одно, а три различных семейства частиц. Другую теорию, также не свободную от недостатков, предложил Хейн Харари; в ней фундаментальные частицы называются ришонами.

Если такой подход окажется плодотворным и на самом деле удастся найти одно семейство, а то и единственную фундаментальную обменную частицу, это несомненно поможет приблизиться к нашей цели – построению единой теории строения Вселенной. В следующей главе мы обратимся к рассмотрению современных теорий объединения микромира, базирующихся на предположении о том, что кварки и лептоны относятся к одному семейству частиц.

Глава 10

Единая теория строения Вселенной

Мы только что описали две теории взаимодействий элементарных частиц: квантовую хромодинамику – теорию сильных взаимодействий и квантовую динамику электрослабых взаимодействий – единую теорию электромагнитных и слабых взаимодействий. Обе эти теории прекрасно согласуются с наблюдениями, обе являются калибровочными и каждая венчает многолетние труды. Естественно, возникает вопрос: нельзя ли их объединить? Следует подчеркнуть, что требуется объединить эти теории, не внося в них почти никаких изменений, а не создавать взамен новую теорию. По отдельности они работают превосходно, и нам совсем не хочется от них отказываться. Поскольку обе они калибровочные, объединяющая теория должна быть такой же.

Эти теории охватывают два семейства частиц: кварки и лептоны; кроме того, есть и семейство калибровочных частиц, являющихся переносчиками взаимодействий. Чтобы получить единую теорию, нужно объединить семейство кварков с семейством лептонов, т.е. показать, что они по сути идентичны (при каких-то условиях, не обязательно существующих сейчас), а также объединить калибровочные частицы.

Легко представить себе, какие трудности подстерегают учёных на этом пути. Известно, например, что лептоны взаимодействуют посредством электромагнитного и слабого полей. В частности, лептоны, в отличие от кварков, не взаимодействуют посредством сильного поля. При объединении обе частицы должны взаимодействовать одинаково.

Следовало бы показать, что два разных семейства на самом деле есть часть большой единой семьи. Для этого нужно иметь возможность превращать кварки в лептоны и наоборот, а это можно сделать, только введя новые частицы. Первую попытку создать теорию такого рода предприняли в 1973 году учёные Гарвардского университета Говард Джорджи и Шелдон Глэшоу. С тех пор многие занимались этой проблемой, но теория Джорджи-Глэшоу пока остаётся самой простой и самой удачной. Это пятимерная теория, в которой имеется пять фундаментальных частиц; подобно другим, она базируется на теории групп. Квантовая хромодинамика, к примеру, трёхмерна, и в ней фундаментальными частицами являются три цветных кварка. Теория Джорджи-Глэшоу называется теорией великого объединения; она основана на группе SU(5) – SU означает унитарную симметрию, цифра 5 соответствует числу измерений.

В пять фундаментальных частиц новой теории входят три кварка разного цвета, позитрон и нейтрино. Помимо этих частиц вещества есть ещё 24 калибровочных частицы, обеспечивающие взаимодействие. С некоторыми из них мы уже знакомы – это W +, W -, Z0 и фотон из теории электрослабых взаимодействий; ещё восемь частиц – это окрашенные глюоны из квантовой хромодинамики, т.е. частицы, объединяющие кварки в адроны. Остаётся 12 новых частиц – их называют X-частицами; точно так же, как глюоны являются калибровочными частицами-переносчиками цвета, эти новые частицы – переносчики новой силы, так называемой гиперслабой. Они окрашены, имеют спин +1/3 или +4/3 и, что важнее всего, превращают кварки в лептоны и наоборот.

Введение X-частиц в теорию имеет весьма важные последствия: значит, протон, считавшийся ранее стабильным, теперь должен распадаться как минимум на две более лёгкие частицы. Сначала это может показаться странным, но ведь протон – довольно тяжёлая частица, а все тяжёлые частицы подвержены распаду. Лёгкие частицы, такие как электрон, не распадаются, но тому есть своя причина. При распаде образуются более лёгкие (менее массивные частицы), чем исходная. Этого требует закон сохранения массы (или, что то же самое, энергии) – в ходе реакции масса не может ни создаваться, ни уничтожаться. Если бы при распаде электрона образовывалась более тяжёлая частица, это означало бы, что откуда-то появилась дополнительная масса. Конечно, есть несколько частиц легче электрона – нейтрино, фотон и гравитон, тем не менее распад электрона с образованием одной из этих частиц никогда не наблюдался. Почему? Да потому, что электрон имеет заряд, а эти более лёгкие частицы нейтральны. Если бы электрон распадался на одну из таких частиц, его заряд исчезал бы, что запрещается законом сохранения заряда. Согласно этому закону, полный заряд всех участвующих в реакции частиц должен оставаться неизменным.

Поскольку закон сохранения заряда не позволяет распадаться электрону, возникает вопрос: нет ли какого-то закона сохранения, запрещающего распад протона? Оказывается, есть. Его сформулировал в 1949 году Юджин Вигнер. Он ввёл понятие так называемого барионного числа B; лептоны и лёгкие частицы имеют барионное число, равное нулю, а барионы – единице. Согласно этому закону, полное барионное число до начала реакции должно быть таким же, как и после реакции. До недавнего времени казалось, что этот закон выполняется всегда.

Когда учёные вплотную занялись изучением различных законов сохранения, оказалось, что одни из них фундаментальнее других. Закон сохранения заряда не нарушается никогда, ни при каких обстоятельствах. А вот закон сохранения странности, например, может нарушаться – он не выполняется при слабых взаимодействиях. Так, может быть, барионное число тоже сохраняется не всегда? Если так, то протон может распадаться. В конце концов учёные пришли к выводу, что так и происходит. О том, что барионное числа не обязательно сохраняется, свидетельствуют и некоторые космологические данные. Известно, что наша Вселенная почти целиком состоит из вещества; если в ней и есть антивещество, то его крайне мало. Почему? Естественно было бы предположить, что Вселенная состоит поровну из вещества и антивещества. Известно, что сейчас это не так, но через доли секунды после Большого взрыва вещество и антивещество присутствовали в равных количествах. Если предположить, что закон сохранения барионного числа может нарушаться, то легко показать, что Вселенная вначале была симметричной по составу, а асимметрия проявилась позже. Другими словами, теория последовательно и изящно объясняет избыток вещества во Вселенной.

А на что распадается протон, если он вообще распадается? Есть несколько возможностей, одна из которых показана ниже: d-кварк превращается в позитрон, а один из u-кварков – в анти-u-кварк (u):

Распад протона на пион (?0) и позитрон (e+)

Если бы нам случилось наблюдать такую реакцию, то скорее всего мы увидели бы образование позитрона (e+) и пиона (?0); пион, в свою очередь, через некоторое время распался бы на фотоны (?). Этот процесс выглядел бы так:

Есть и другие пути распада протона. Один из u-кварков мог бы превратиться в d-кварк с испусканием X-частицы, которая затем привела бы к превращению d-кварка в антинейтрино. Такая реакция имела бы вид: p› ?+ + ?.

Конечно, для распада протона требуется очень много времени. Объяснение тут простое – наши тела состоят из протонов (а также электронов и других частиц), и если бы скорость распада была велика, мы бы являлись источником радиоактивности. Даже малые дозы такого излучения имели бы катастрофические последствия – у людей очень быстро развивался бы рак. Известно, что тело человека не радиоактивно, от него не исходит даже малейшее излучение. Отсюда следует, что время жизни, точнее период полураспада протона (время, в течение которого распадается половина частиц данного типа), должно быть больше 1016 лет.

Первый эксперимент, поставленный для определения периода полураспада протона, дал значение гораздо большее. Этот эксперимент проводился в одной из глубоких шахт в Индии. Учёные обнаружили, что период полураспада протона должен быть больше 1030 лет. Интересно, что вскоре после проведения этого опыта Джорджи, Куинн и Вайнберг, исходя из теоретических соображений (на основе SU(5)-симметрии), показали, что эта величина должна составлять около 1032 лет; позднее они понизили предел до 1031 лет. Это невообразимо долгое время; нашей Вселенной сейчас всего около 1010 лет. Да и можно ли вообще зарегистрировать распад протона, если он происходит так редко? Ответ утвердителен – можно, если период полураспада не превышает 1032 лет (в противном случае возникают трудности). Обнаружить распад можно, если собрать вместе достаточно много протонов. Так, из 1032 протонов в год будет распадаться по одному. Они займут не так уж много места, впрочем, всё зависит от материала, с которым мы имеем дело, но скорее всего для этого потребуется объём с комнату среднего размера.