Александр Гордон - Диалоги (апрель 2003 г.)

Мы все знаем очень хорошо, что в природе существуют четыре вида сил. Это мы все знаем с наших школьных лет – это сильные, слабые, электромагнитные и гравитационные взаимодействия. О сильных взаимодействиях мы буквально только что упомянули, и с точки зрения Стандартной Модели, это силы, осуществляемые посредством обмена глюонами, именно это и есть фундаментальные сильные взаимодействия.

Те же взаимодействия, которые в ядре приводят к тому, что протоны и нейтроны удерживаются внутри ядер, так называемые ядерные силы – это уже как бы вторичные по отношению к тем первичным фундаментальным сильным взаимодействиям силы. Ядерные силы возникают из-за того, что протоны и нейтроны – это протяжённые объекты. И каждый кварк обладает так называемым цветом – это специальное квантовое число или заряд, и, собственно говоря, обладание этим зарядом и приводит к взаимодействию посредством обмена глюоном. Следующий вид взаимодействий – это взаимодействия электромагнитные, которые все мы хорошо знаем из повседневной жизни. Их роль – образовывать атомы, притягивая электроны и ядра друг к другу. Взаимодействие, менее известное для широкой аудитории, но, конечно, очень хорошо известное специалистам – это слабое взаимодействие, которое ответственно за то, что ряд частиц в природе нестабилен, в частности, нейтрон. Если нейтрон находится в свободном состоянии, он распадается в протон, электрон и электронное антинейтрино, но внутри ядер ему энергетически более выгодно оставаться свободным, оставаться нераспавшимся, потому что это наиболее выгодная энергетическая конфигурация.

И.В.Здесь проявляется взаимодействие электромагнитных и слабых сил, потому что если электрон станет протоном в ядре, то взаимодействие одинаково заряженных протонов приведёт к увеличению энергии ядра.

Э.Б.Приведёт к увеличению энергии, поэтому в ядре нейтрон стабилен, и может показаться, что слабые взаимодействия вроде бы и не очень-то важны. Но оказывается, что слабые взаимодействия крайне важны, и в частности, процессы на Солнце, например, углеродно-водородный солнечный цикл, главный солнечный цикл, имеет свою первооснову в слабых взаимодействиях. Таким образом, слабые взаимодействия приводят к выделению энергии на Солнце. Если бы этой энергии не было, то и мы бы тут вряд ли существовали бы.

И последний вид сил, которые окружают нас – это гравитационные взаимодействия, уникально слабые по сравнению со всеми остальными видами взаимодействий. Строго говоря, гравитационные взаимодействия в схему Стандартной Модели не вписываются и это одна из проблем Стандартной Модели.

А.Г.Что мешает создать единую теорию.

Э.Б.Абсолютно правильно. Мешает и то, что это уникально слабая сила по сравнению с другими. Это, собственно говоря, и составляет проблему – как эту силу тоже включить в единую схему. Современные представления, в частности, о дополнительных измерениях, о которых у нас сегодня в основном будет идти разговор – это одна из схем, позволяющих и гравитационные силы рассмотреть с единых позиций более-менее.

И.В.Я бы хотел ещё добавить, что Стандартная Модель уже в каком-то смысле есть объединённая теория. Пока гравитационные взаимодействия вообще не входят в Стандартную Модель, но считается, что в Стандартную Модель входят сильные взаимодействия, электромагнитные и слабые. Так вот электромагнитные взаимодействия уже входят в Стандартную Модель некоторым объединённым образом…

Э.Б.Со слабыми взаимодействиями.

И.В.Со слабыми взаимодействиями, да, и эти взаимодействия получили название электрослабых. Поэтому Стандартная Модель – это уже какой-то шаг по пути объединения, и желательно двигаться дальше в этом направлении.

Э.Б.Всё зависит от того энергетического масштаба, на котором мы смотрим на эти силы. То понятие, которое нам потребуется сегодня – это ГэВ. ГэВ – это 10 в 9-й электрон-Вольт. И, в частности, в этих единицах измеряются массы протона и нейтрона, это грубая оценка, но, тем не менее, она вполне достаточна для нас.

И.В.Масса протона и нейтрона – это примерно один вес.

Э.Б.Массы протона и нейтрона примерно одинаковые, это примерно один ГэВ. Кварки и лептоны – это те составляющие кирпичики, из которых весь наш мир построен, и из этой схемы видно, что кварки и лептоны делятся на три поколения. Я замечу, что все эти частицы, которые указаны в таблице, уже были открыты экспериментально. Всё это не просто разговоры, всё это померяно и найдено в конкретных экспериментах. В частности, последний ТОП, или Т-кварк с массой 175 ГэВ, это 175 протонов, грубо говоря. Только в отличие от ядра Стандартной Модели размер этого Т-кварка пока не разрешён. Он, по крайней мере, 10 в минус 18-й сантиметра, или что-то в этом духе. И никакой структуры не имеющий.

А.Г.То есть, вот эти символы, которыми здесь изображаются лептоны и кварки, не должны вводить нас в заблуждение. Потому что здесь это некие шарики, почти твёрдые тела, а на самом деле это далеко не так.

И.В.Просто мы пытались так представить их относительные массы.

Э.Б.Так мы пытались представить относительные массы, но не размеры. С точки зрения размеров в Стандартной Модели всё это точечноподобные частицы. И это тоже, на самом деле, одна из загадок Стандартной Модели.

Как понять, что Т-кварк с одной стороны имеет массу 175, а это чуть меньше массы ядра золота, но при этом остаётся точечным объектом? В то время как в ядре золота собраны 190 протонов и нейтронов, и это весьма и весьма большое образование. Вот вкратце структура.

Но может быть, стоит упомянуть об этом открытии Т-кварка? Просто чтобы информацию дать, потому что это совсем недавнее открытие, оно состоялось в 95-м году на американском коллайдере «Тэватрон» в Брукхейвене, в Фермилабе. На этом коллайдере сталкивались пучки протонов и антипротонов. Может быть, картинку номер три нам покажут? Вот видите, здесь изображено, как протон с зарядом плюс единица сталкивается с антипротоном с зарядом минус единица. Тогда те кварки и глюоны, которые образуют этот протон, сталкиваются между собой, и в результате рождается пара кварков Т и анти-Т. Эта пара кварков Т и анти-Т распадается в W-бозон и B-кварк, в W-бозон и анти B-кварк, которые дальше распадаются соответственно в дубль W плюс или дубль W минус бозоны (это переносчики слабых взаимодействий) и в один из лептонов или кварков, указанных выше.

Лептон регистрируется, нейтрино проявляется как недостающая энергия в детекторе, а лёгкий кварк проявляется как так называемая «струя», узенький пучок частиц, летящих в определённом направлении, это тоже регистрируется соответствующим детектором. Благодаря соответствующим энергетическим измерениям получена масса Т-кварка. На сегодняшний день масса Т-кварка известна с достаточно приличной точностью – 175 ± 5 ГэВ, этот объект хорошо установлен и обнаружен.