Фрэнк Вильчек - Тонкая физика. Масса, эфир и объединение всемирных сил

Результат был потрясающим, по крайней мере для меня. Суперсимметричные версии моделей калибровочной симметрии, хотя они сильно отличались от оригиналов, дали почти тот же ответ относительно связей.

Это стало поворотным моментом. Мы отложили в сторону «не-ошибочные» сложные модели со спонтанным нарушением суперсимметрии и написали короткую статью, которая, будучи воспринятой буквально (с ненарушенной суперсимметрией), была бы неправильной. Однако она представляла результат, который был настолько прямолинейным и успешным, что идея объединения унификации и суперсимметрии показалась (возможно) правильной. Мы отложили проблему того, как нарушается суперсимметрия. И сегодня, несмотря на существование нескольких стоящих идей, общепринятого решения нет.

После нашей первоначальной работы более точные измерения связей позволили провести различие между прогнозами моделей с суперсимметрией и без нее. Модели с суперсимметрией работают намного лучше. Мы все с нетерпением ожидаем результатов работы Большого адронного коллайдера в ЦЕРН, Европейской лаборатории физики элементарных частиц, где в случае истинности этих идей должны появиться новые частицы суперсимметрии или, можно сказать, новые измерения суперпространства.

Этот небольшой эпизод, как мне кажется, примерно на 179° сдвинут по фазе относительно идеи Карла Поппера, заключающейся в том, что мы добиваемся прогресса, опровергая теории. Скорее, во многих случаях, включая некоторые из самых важных, мы внезапно решаем, что наши теории могут оказаться истинными благодаря пониманию необходимости стратегически игнорировать вопиющие проблемы. Аналогичный поворотный момент имел место, когда Дэвид Гросс и я решили предложить квантовую хромодинамику (КХД), основанную на асимптотической свободе, отложив проблему удержания кварков. Но это уже другая история…

Физическая частица, основанная на кварках и глюонах (сами кварки и глюоны в расчет не берутся, поскольку они не могут существовать в свободном состоянии). Наблюдается два основных вида адронов: мезоны и барионы. Мезоны возникают, когда кварк и антикварк приходят в равновесие с Сеткой. Барионы появляются, когда в равновесие с Сеткой приходят три кварка. Обнаружено много десятков различных мезонов и барионов. Почти все они очень неустойчивы. Могут также существовать глюболы, образованные двумя или тремя глюонами. Имеют место некоторые разногласия относительно существования глюболов, поскольку на наблюдаемых частицах нет надписей!

Гипотетическая частица, предсказанная в классе теорий, исправляющих эстетические изъяны Центральной теории (нарушение пространственно-временной четности в слабых взаимодействиях). Предполагается, что аксионы очень слабо взаимодействуют с обычной материей и должны были образоваться в момент Большого взрыва с плотностью, примерно достаточной для создания темной материи. Поэтому аксионы являются хорошими кандидатами на звание основного компонента темной материи.

Квантовая механика позволяет предсказать вероятности различных событий, однако уравнения квантовой механики формулируются с использованием амплитуд , которые являются своего рода предвероятностью. Если точнее, то вероятность — это квадрат амплитуды. (Для специалистов: амплитуды, как правило, представляют собой комплексные числа, а вероятность равна квадрату их абсолютной величины.) Термин «амплитуда» используется для описания высот волн многих видов, например, океанических, звуковых или радиоволн. Квантово-механические амплитуды — это, по существу, высоты квантово-механических волновых функций. Дополнительную информацию и примеры вы можете найти в главе 9. См. также: Волновая функция.

Материя, с которой мы обычно имеем дело и из которой состоим, состоит из электронов, кварков, фотонов и глюонов. Вещество, состоящее из соответствующих античастиц: антиэлектронов (также известных как позитроны), антикварков, фотонов и глюонов, часто называется антиматерией (обратите внимание, что фотоны и глюоны являются своими собственными античастицами. Точнее, одни глюоны являются античастицами других; все восемь глюонов составляют полный набор частиц, замкнутый на себя). См. также: Античастица.

Античастица данной частицы имеет ту же массу и спин, что и эта частица, но противоположное значение электрического заряда и других сохраняющихся величин. Исторически первыми обнаруженными античастицами были антиэлектроны, также известные как позитроны. Они были теоретически предсказаны Дираком и впоследствии наблюдались Карлом Андерсоном в космических лучах. Важным следствием квантовой теории поля является то, что для каждого вида частиц существует соответствующая античастица. Фотон является своей собственной античастицей; это возможно, поскольку фотоны электрически нейтральны. Пары «частица — античастица» могут иметь нулевые значения всех сохраняющихся квантовых чисел; таким образом, они могут быть получены из чистой энергии, а также могут возникать спонтанно в качестве квантовых флуктуаций (виртуальных пар).

В современной физике это малопонятное свойство кварков и лептонов; он имеет три возможных значения и не зависит от зарядов частиц. Например, существует три различных аромата U −кварков — u (верхний), c (очарованный) и t (истинный). Каждый из них имеет один и тот же электрический заряд 2 e /3 и одну единицу цветного заряда (красного, белого или синего). Кроме того, существует три аромата D −кварков — d (нижний), s (странный) и b (прелестный), они также соответствуют трем цветам, а их электрический заряд равен −e /3. Существует также три аромата лептонов — е (электрон), μ (мюон), τ (тау-лептон), которые имеют электрический заряд −е , но не имеют никакого цветного заряда, и, наконец, есть три вида нейтрино, не имеющих ни электрического, ни цветного заряда. В каждой из этих групп частицы с различным ароматом участвуют в одинаковых взаимодействиях, описываемых Центральной теорией. Они различаются по массе, иногда очень значительно (например, t −кварк по меньшей мере в 35 000 раз тяжелее u −кварка). Слабые взаимодействия делают возможными преобразования одних ароматов в другие. Не существует хорошего теоретического объяснения того, почему массы таковы, каковы они есть.

Несмотря на то что W −бозоны меняют ароматы, было бы неверно думать, что аромат играет ту же роль в слабых взаимодействиях, что и цвет в сильном взаимодействии. W −бозоны реагируют не непосредственно на свойство аромата, а на другую пару зарядов, которые я назвал слабыми цветными зарядами. W −бозоны меняют ароматы, так сказать, ради забавы; это не то, что ими руководит. Причины возникновения трех комплектов частиц с одинаковыми наборами зарядов и соответствующих каждому комплекту правил смены аромата, по которым играют W −бозоны, остаются глубокой тайной.