Комбинирането на взаимодействия

18. Комбиниране на взаимодействия

Модерният идеята за комбиниране на различни взаимодействия произхождат от работата на Исак Нютон. Нютон открил един прост закон, според който на силата между две масивни тела е пропорционална на техните маси m1. m2 и обратно пропорционална на квадрата на R разстояние между тях;

където G е постоянна -gravitatsionnaya Нютон. С помощта на този закон, той е в състояние да се изчисли как законите на органите, които попадат, съобразени със забележките на Галилео, както и законите за движението на планетите, предварително поставени от Дж Кеплер. Така че, с помощта на закона е първият, за да опишат явленията на наземни и космически мащаби.

Фиг. 18.1. Етапи на взаимодействия

Следващата стъпка в обединението на взаимодействията е направено от Джон. Максуел, който показа, че електричеството, магнетизма и светлината може да бъде описан като система от диференциални уравнения, които носят неговото име. уравнение на Максуел в Gaussian система единици са на формата

където Е - електрическо поле, Н - магнитно поле, D - електрическа индукция, B - магнитна индукция, ρ - плътност на електрически заряд, J - плътност на тока,

ε0 - диелектрична константа на среда, μ0 - магнитна проницаемост на средата. В вакуум с = (ε0 μ0) -1/2.
Един от приоритетите на физиката на елементарните частици в началния етап е да се определят моделите на различни видове взаимодействия. Оказа се, че има само четири типа фундаментални взаимодействия: силен, електромагнитни, слаби и гравитационни, с която можете да описват всички известни взаимодействия в природата.
Електромагнитна и силни взаимодействия могат да бъдат описани от квантовата обмен на съответните области - фотони и глуони. Фотоните и глуоните са бозони габарита и силни електромагнитни полета.
Един от най-важните разлики между електромагнитните и силните взаимодействия, е, че електромагнитните смущения има два вида заряд - положителни и отрицателни, докато силните взаимодействия - три цвята. В квантовата броя описва цвета на всички силно взаимодействащи частици. силна теория взаимодействие за описване на взаимодействието между цветните частици изисква 8 вида глуони. Друга важна разлика между силните и електромагнитните взаимодействия е, че глуони самите цвят kantovye брой, докато фотон - частица електронеутрален. Това разграничение има важни последици, което води до явления като асимтотична свобода и затвор. На малки разстояния, силни взаимодействия стават по-слаби (асимптотична свобода), но при отстраняване извара изключение на разстояние по-голямо от 10 -13 cm техните свързващи се увеличава (затвор). Въпреки факта, че всички силно взаимодействащи частици са описани на базата на модел на извара, никой наблюдаваше изолираните свободни кварките.
Хипотезата, че слабото взаимодействие се дължи и на обмена на заредена частица се върне назад в тридесетте години на ХХ век. Попълването на тази идея е била в рамките на единна теория, разработена в трудовете на С. Уайнбърг, Салам и Glashow - електрослабата модел свързване на електромагнитните и слабите взаимодействия,
През 1934 г., Е. Ферми теория създаден метод β-разпад където слаб β-разпад на четири-точка се счита за взаимодействието описани с помощта константи Ферми

Скоро открих, както и други процеси на слаби разпада, които също са добре описани от постоянна Fermi. Голямата разлика в гниене вероятностни ламбда частици в резултат на слабото взаимодействие се дължи на разликата в ЛЕ на енергията, освободена в резултат на слабо разпадане

През 1967 Г. Sh. Gleshou, Weinberg, А. Салам предложи модел, който съчетава слабите и електромагнитните взаимодействия. В основата на този модел е предсказаните четири бозони с въртене J = 1, взаимосвързани условия симетрия. 3 бозон W +. W - и Z 0. с голяма маса, изпълнена слабо взаимодействие и бозон като нула тегло - γ-квантова, изпълняван електромагнитно взаимодействие. Тежести тежки бозони са възникнали в резултат на взаимодействие с полето на Хигс.
Маса бозон W определя отношенията безразмерна константа слабото взаимодействие с GF GW Fermi постоянна. Всички слаби процеси за създаване електрослабата модел взаимодействие описано посредством зарежда бозони W +. W - .Slabye процесите, които протичат под въздействието на заредените бозони W ±, наречени процеси, достигайки през зарежда ток. В Weinberg - Салам -Gleshou, заедно със заредени бозони трябва да бъде още един тежък неутрални бозони Z 0. Слабите процеси, протичащи под влиянието на неутрален Z 0 бозон, наречени процеси протичат през неутрален ток. Реакциите по мюон неутрино чрез заредени и неутрални бозони показано на фиг. 18.2, 18.3.

Всяко взаимодействие се характеризира с постоянно αi взаимодействие. определя неговата сила. Въпреки това, изследването на взаимодействието с все по-високи енергии, разкри, че свързващите константи αi не са постоянни, но зависят от енергията.
Намаляване на силните съединителни постоянни αs с повишаване на енергийната - в резултат на силния antiscreening (цвят) на таксата, което води до асимтотична свобода. Antiscreening също се отнася и за слаб заряд и понижава αw в увеличаване на енергията. Αe електромагнитно константа на свързване на скрининг нараства с увеличаване на енергия. Най-драматично с енергията на силните взаимодействия постоянните промени. Реципрочни на константи на свързване, т.е. 1 / αi. Според теорията зависи от лог-енергия и съответства на стандартния модел прогнозира зависимостта е показано на фиг. 18.4.

Фиг. 18.4. Зависимостта на реципрочните стойности на постоянни взаимодействия на енергия.

От тази фигура се вижда, че различните взаимодействия постоянно, много по-различна при ниски енергии, с повишаване на енергийната сближат при енергии 15 октомври -10 16 GeV на обща стойност

Това се основава на надеждата да се създаде теория, която съчетава най-силните, електромагнитните и слабите взаимодействия. Концепцията за комбинирането на тези три взаимодействия се нарича Асоциация на Great -Grand на Съединението (GU).
Електрослабите модел, обединяване на електромагнитните и слабите взаимодействия - само част от програмата на Великата уеднаквяване.

1967 S. Weinberg, A. Салам, Glashow създаде модел на електрослабата взаимодействието

Шелдън Glashow
(P. 1932)

Stiven Vaynberg
(P. 1933)

Нобелова награда за физика

1979 - С. Weinberg, A. Салам, Glashow. За комбинирано принос към теорията на слабите и електромагнитния взаимодействието между елементарни частици, включващ включително предсказване слаб неутрален ток.

Glashow, Абдус Салам, S.Vaynberg при отпускането на Нобелова награда (1979)

Фиг. 18.4 зависимост 1 / αe се дава с коефициент 3/8. Появата на този фактор е свързан с θw на концепция Уайнбърг ъгъл (тя се нарича още слаб ъгъл смесване). Този ъгъл може да се определя от съотношението на елементарни електрически заряди и слаб

sinθw. като константи на свързване варира с енергия. получен от експеримента, че С, MZ енергия 2 = 91 GeV стойност Weinberg ъгъл

2 грях θw = 0.231 (в Е = 91 GeV).

Велико обединение (червата) прогнозират, че в предполагаемия асоциация на енергия (15 октомври -10 16 GeV) ъгъл Уайнбърг ще се увеличи до стойност, определена от отношението

2 грях θw = 3/8 (в Е = 15 Октомври -10 16 GeV)

Умножение 1 / αe с размера на 3/8 осигурява "едновременно" удрят константи електромагнитните и слабите взаимодействия в региона на енергия Grand Unified. Когато енергия Grand Unified вместо силните и електрослабите взаимодействия възниква един взаимодействие. Има различни версии на теорията на Великото обединение. Най-простият вариант е собственост на З. Георги и Glashow (1974). Това се нарича минимално (5) модел SU. SU символ (5) е унитарна специално пет двумерен симетрия група. Основните фермиони на този модел са вече известни 6 кварки и 6 лептони. За четирите вече известни основните бозони (W, Z, γ глуонната) добавя две нови - вектори бозони асоциация на Големите сили X и Y, като центрофугиране 1 и фракционните електричните заряди (съответно + 4е / 3 и А + Е / 3). Барионен заряд бозон X-B (X) = 0. По този начин, един нов "пълен набор" на основните частици

6 кварки, лептони + 6 + 6 бозони.

"Физиците отдавна търсят да се създаде един фундаментален теория, която да обедини всички известни сили. Изчистване на всички, че такава теория може да отвори характер на отношенията между тези сили, обяснявайки, в същото време, тяхната очевидна разлика. Това обединение все още не е достигната, но напоследък има някакъв напредък. Сега слабите и електромагнитните сили могат да бъдат разбрани в рамките на единна теория. Въпреки, че тези сили са различни, те са математически свързани с теорията. Въпреки това, фактът, че сега всички четири сили са описани от теории, които са идентични по структура, може да бъде по-важно в края. По този начин, въпреки че физиката все още не може да намери един ключ към всички известни брави, сега поне знаем, че всички необходими бутони могат да бъдат направени от един пън. Теория на тази привилегирована класа е официално по-нататък без Abelian теория с местен симетрия. "

Г. 'т Hooft.
"Gauge теория на силите между елементарните частици" Phys 135 479-512 (1981)

Герардус t'Hooft
(P. 1946)

Високата степен на симетрия е показано, по-специално във всички безмасови частици с енергии> октомври 15 GeV. Подобно на кварките, X- и Y-бозони са боядисани, т.е. Те са в един от трите цветови държави - червено, зелено или синьо. Като се има предвид три цветови състояния X- и Y-бозони и наличности античастица (фотон, Z-бозон и две глуони със скрито античастици цвят частиците съвпада с) на "пълен набор" на основните бозони SU (5) модел включва 24 частици ( Таблица. 18.2).
Най-важната собственост на осите Х и Y-бозони е, че те са замесени в процеси, които не пестят такси барионен и лептонни. Разпада X- и Y-бозони се появят в нарушение на закона за запазване на CP-паритет. Тези бозони, които са носители на силите на Великия Съединението, свързват кварк-извара и кварк-лептонни двойки (фиг. 18.5), който в същото време е в нарушение на законите на опазване на барионен и лептонни такси.

Фиг. 18.5. Примери на диаграми с X- и Y-бозони

Non-опазване на барионен и лептонни такси и нарушаване на CP паритет в реакции с участието на осите Х и Y-бозони може да доведе до наблюдава асиметрия на материя и антиматерия във Вселената. Идеята, обяснява връзката между броя на реликви фотони nγ и барионен номер NB

За първи път е предложил А. Г. Saharovym. Той представи идеята за възможно nonconservation на барионен и лептонни такси.

А. Д. Сахаров: "Теорията за разширяващата се Вселена, като се предполага superdense първоначалното състояние на материята, изглежда, за да се изключи възможността за разделяне на макроскопична материя и антиматерия; Затова се предполага, че в природата не съществува орган на антиматерия, т.е. Вселената е асиметричен по отношение на броя на частиците и анти-частици (С -asimmetriya). По-специално, antibaryons отсъствието и предполагаемата липса неизвестни барионна неутрина е различна от нула барионен такса (барионна асиметрия). Ние искаме да посочим едно възможно обяснение С -asimmetrii в гореща разширяваща се вселена модел с участието на ефектите на CP инвариантността нарушение. За да се обясни барионен асиметрията допълнително се предположи, приблизителната характер на закона за запазване на барионите.

Появата -asimmetrii С съгласно нашата хипотеза е следствие от нарушения CP инвариантност при нестационарни процеси гореща разширяване свят на superdense етап, който се проявява в ефекта на разликата на вероятност от частични реакции заряд-свързан. Този ефект все още не е наблюдавана експериментално, но неговото съществуване е теоретично безспорен (първият конкретен пример - гниене Σ + и Σ - С. Окубо е бил регистриран през 1958 г.) и трябва да, по наше мнение, имат значително космологична значение.
Наричаме появата на асиметрията на ранните етапи на разширяване, която съответства на плътността на частиците, енергията и ентропията и Hubble константа на температура единство ред в гравитационни единици (плътност п частиците

10 98 cm -3. ε енергийна плътност

10114 ерг / cm 3 в конвенционални единици) [*] ".

Голяма стойност на nγ съотношението / NB обяснява почти пълното унищожаване на материя и антиматерия в началния етап на развитие на Вселената. Излишният барионен над antibaryons очакван брой е 10 -9. Оцеляване в унищожаването на барионите сметка за наблюдаваното в момента материята във Вселената.
свойствата на затихване на рентгеновите бозони могат да доведат до асиметрия на материя-антиматерия във Вселената. Ние приемаме, че при високи температури (Т> 28 октомври K), съответстващи енергии Grand Unified беше първоначално същия брой X- и бозони. Пишем основните канали и рентгенови бозони загнива да формират UU-кварк и антикварк двойка - позитрон е +.

разпад канали X-бозони.

Тъй като X и са частици и античастици, като инвариантност на СРТ, средният живот от тях трябва да бъде същият

Въпреки това, техните вероятности а и β може да варира гниене. От това следва, че ако α> β, излишъкът а - β ще доведе до факта, че бозони за разпадане и рентгенови ще се образува над излишъкът от извара антикварка, т.е. преобладаването на материята над антиматерията. Въпреки това, за преобладаването на материята над антиматерията в по-нататъшната еволюция на Вселената остава, извършване на повече от едно състояние е необходимо - Вселената трябва да се разшири и температурата му трябва да бъде намалена.
Горещият вселената, която е в термично равновесие ще се случи не само затихване процеси описани по-горе и рентгенови - бозони, но техните ефективни реакции на образуване

U + ф ↔ X, + д + ↔ X,
+ ↔, D + Е - ↔.

В система, в термодинамично равновесие и образуване гниене вероятност Х-, бозони ще бъдат идентични. Равновесни процеси ще доведе до това, оформен в X- и разпада бозони се елиминира излишък вещество. Поради това е необходимо, че системата премина от състояние на топлинно равновесие. При разширяване на свят, когато температурата падне под прага за ефективно образуване на рентгенови бозони (T <10 28 К), они выходят из теплового равновесия и реакции распада X- и -бозонов будут доминировать над реакциями их образования.

X → ф + U, X → + д +,
→ +, → D + Е -.

За целта количеството на материята над антиматерията остане. По този начин, за да се образува преобладаването на материята над антиматерията във Вселената е необходимо да отговарят на следните условия:

първоначално гореща вселена,
CP нарушение,
нарушение на закона за запазване на барионен и лептонни такси,
нарушение на термично равновесие.

Един от най-важните предсказания червата е протон разпад. Показано на фиг. 18.7 процеси, включващи X- и Y-бозони са отговорни за възможните канали на протон и неутрон разпада.

Фиг. 18.6.Vozmozhnye извара протонни и неутронно разпад диаграми в модел Grand Unified.

Велико обединение Средната протон живот т на (р) зависи от масата на X-бозон m (X) и комбиниране константи Голям αGU

Вероятността от предсказаната разпад на протона (или неутрона) е изключително ниска поради големия брой виртуална X- и Y-бозони. Към днешна дата няма случаи на наблюдението открити протон гниене. Gut оценява в най-оптималния случай (SU (5) модел) протон живот гниене относително доминираща канал р → д + + π 0 не може да надвишава 32, 10. Въпреки това, тази протонни разпад канали от експеримента, извършени върху детектор IMB на Серенков (USA), протон живот т на (р)> 5 х 10 32 години, които, както изглежда, елиминира минимално (5) модел SU.

[*] AD Сахаров "Нарушаването на CP инвариантността, C-асиметрия и барионен асиметрия на Вселената." JETP писма, v.5, брой 1 от 1967 г.