Ричард Фейнман - КЭД – странная теория света и вещества

Рис. 88. Между W-, его античастицей W+ и нейтральным W-бозоном (Z0-бозоном) возможно взаимодействие. Константа связи для взаимодействия между W-бозонами ле-жит в окрестности j. На этом основано предположение, что W-бозоны и фотоны, возможно, представляют собой разные стороны одного и того же явления.

Итак, квантовая теория описывает три основных типа взаимодействий: «сильное взаимодействие» кварков и глюонов, «слабое взаимодействие» W -бозонов и «электрическое взаимодействие» фотонов. Единственные имеющиеся (в соответствии с этой теорией) частицы – это кварки (с «ароматами» d и и , трех «цветов» каждый), глюоны (восемь комбинаций красного, зеленого и синего), W -бозоны (с зарядами ±1 и 0), нейтрино, электроны и фотоны – примерно двадцать различных частиц шести различных типов (плюс их античастицы). Это не так уж плохо – примерно двадцать различных частиц, но только это еще не все.

По мере того как ядра бомбардировали протонами все более высоких энергий, продолжали возникать все новые частицы. Одной из таких частиц был мюон, в точности совпадающий с электроном во всех отношениях, за исключением значительно большей массы –105,8 МэВ. Это примерно в 206 раз превосходит массу электрона, равную 0,511 МэВ. Как будто Бог захотел попробовать для массы другое число! Все свойства мюона полностью описываются электродинамической теорией: та же константа связи j, та же Е ( А – В ), вы просто подставляете другое значение n [31].

Рис. 89. При бомбардировке ядра протонами все более и более высокой энергии возникают новые частицы. Одна из них – мюон, или тяжелый электрон. Мюонные взаимодействия описываются той же теорией, что и электронные, с той только разницей, что вы просто подставляете большее значение для п в формулу Е(А – В). Магнитный момент мюона должен не-сколько отличаться от магнитного момента электрона, поскольку, когда электрон излучает фотон, который затем распадается на электрон-позитронную или мюонантимюонную пару, массы частиц пары равны или превышают массу электрона. С другой стороны, когда мюон излучает фотон, распадающийся на позитрон-электронную или мюон-антимюонную пару, массы частиц пары не превышают массу мюона. Это не-большое различие подтверждается экспериментами.

Так как мюон примерно в 200 раз тяжелее электрона, «стрелка часов» для мюона вращается в 200 раз быстрее, чем для электрона. Это позволило нам проверить, продолжает ли квантовая электродинамика соответствовать эксперименту на расстояниях, в 200 раз меньших, чем те, на которых мы могли проверить ее до сих пор. Хотя эти расстояния все еще более чем в 1080 раз превосходят такие, на которых теорию подстерегают неприятности из-за бесконечностей (см. сноску на с. 146).

Рис. 90. У W-бозона имеется амплитуда излучения мюона вместо электрона. В этом случае место электронного нейтрино занимает мюонное нейтрино.

Мы уже знаем, что электрон может взаимодействовать с W -бозоном (см. рис. 85). При превращении d -кварка в u -кварк с испусканием W -бозона может ли W -бозон взаимодействовать с мюоном вместо электрона? Да (см. рис. 90). А антинейтрино? Если W- бозон взаимодействует с мюоном, частица, которая называется мюонным нейтрино, занимает место обычного нейтрино (которое мы теперь будем называть электронным нейтрино). Поэтому теперь в нашей таблице частиц вслед за электроном и нейтрино появляются две дополнительные частицы: мюон и мюонное нейтрино.

А кварки? Уже очень давно известны частицы, которые должны состоять из более тяжелых кварков, чем u и d . Поэтому в список фундаментальных частиц был включен третий кварк, названный s -кварком (от strange – странный). Масса s -кварка равна примерно 200 МэВ (сравните с 10 МэВ в случае и – и d -кварков).

Много лет мы считали, что у кварков есть только три «аромата» – и, d и s , но в 1974 г. была открыта новая частица, названная пси-мезоном, которую не удалось составить из этих трех кварков. Имелся очень хороший теоретический аргумент, что должен существовать четвертый кварк, взаимодействующий с s -кварком при участии W -бозона так же, как u -кварк взаимодействует с d -кварком (см. рис. 91). «Аромат» этого кварка называется с, и у меня не хватит смелости объяснить, что означает с, но, возможно, вы читали об этом [32]. Названия становятся все хуже и хуже!

Рис. 91. Природа как бы повторяет частицы со спином 1/2. Кроме мюона и мю-нейтрино, имеются два новых кварка – s и e – с такими же зарядами, но массами большими, чем у их двойников в следующем столбце.

Рис. 92. Итак, продолжаем! При еще более высоких энергиях началось новое повторение частиц со спином 1/2. Оно станет полным, если будет открыта частица со свойствами, означающими существование кварка нового аромата. Тем временем ведется подготовка к поискам нового повторения при еще более высоких энергиях. Что вызывает эти повторения – совершенно неизвестно.

Это появление частиц с повторяющимися свойствами, но с возрастающими массами – совершенно таинственно. Что значит это странное дублирование образцов? Как сказал профессор Исидор Раби, когда был открыт мюон: «Кто заказал это?»

В последнее время началось новое повторение списка. По мере перехода ко все более высоким энергиям начинает казаться, что Природа продолжает нагромождать эти частицы как бы с целью нас одурманить. Я должен рассказать вам о них, так как я хочу, чтобы вы увидели, каким сложным в действительности выглядит мир. Я ввел бы вас в заблуждение, создав впечатление, что если 99 % явлений в мире можно объяснить при помощи электронов и фотонов, то оставшийся 1 % явлений потребует только 1 % дополнительных частиц! На самом деле чтобы объяснить этот оставшийся 1 %, нам потребуется в десять или в двадцать раз больше дополнительных частиц.

Итак, продолжаем: при экспериментах с еще большими энергиями был обнаружен еще более тяжелый электрон, названный «тау», с массой порядка 1800 МэВ, как у двух протонов! Было сделано предположение о существовании тау-нейтрино. Кроме того, была обнаружена забавная частица, предполагающая существование кварка нового «аромата» – на сей раз это b -кварк (от beauty – прелесть), его заряд равен –⅓ (см. рис. 92). Теперь я предлагаю вам стать на мгновение первоклассными физиками-теоретиками и сделать одно предсказание: будет открыт новый аромат кварков, называемый___-кварком (от «___»), с зарядом ___и массой___МэВ, – мы, конечно, надеемся, что он действительно есть! [33]