пока не наблюдались, хотя имеются свидетельства их существования в
связанном состоянии. Одной из причин ненаблюдения кварков может быть их
очень большая масса, что препятствует их рождению при энергиях современных
ускорителей. Не исключено, однако, что кварки принципиально, в силу
специфики их взаимодействия, не могут находиться в свободном состоянии.
Существуют доводы теоретического и экспериментального характера в пользу
того, что силы, действующие между кварками, не ослабляются с расстоянием.
Это означает, что для отделения кварков друг от друга требуется бесконечно
большая энергия, или, иначе, возникновение кварков в свободном состоянии
невозможно. Невозможность выделить кварки в свободном состоянии делает их
совершенно новым типом структурных единиц вещества. Неясно, например, можно
ли ставить вопрос о составных частях кварков, если сами кварки нельзя
наблюдать в свободном состоянии. Возможно, что в этих условиях части
кварков физически вообще не проявляются и поэтому кварки выступают как
последняя ступень дробления адронной материи.
Элементарные частицы и квантовая теория поля.
Для описания свойств и взаимодействий Э. ч. в современной теории
существенное значение имеет понятие физ. поля, которое ставится в
соответствие каждой частице. Поле есть специфическая форма материи; оно
описывается функцией, задаваемой во всех точках (х)пространства-времени и
обладающей определёнными трансформационными свойствами по отношению к
преобразованиям группы Лоренца (скаляр, спинор, вектор и т. д.) и групп
"внутренних" симметрий (изотопический скаляр, изотопический спинор и т.
д.). Электромагнитное поле, обладающее свойствами четырёхмерного вектора
Аm(х) (m = 1, 2, 3, 4), - исторически первый пример физического поля. Поля,
сопоставляемые с Э. ч., имеют квантовую природу, т. е. их энергия и импульс
слагаются из множества отд. порций - квантов, причём энергия Ek и импульс
pk кванта связаны соотношением специальной теории относительности: Ek2 =
pk2c2 + m2c2. Каждый такой квант и есть Э. ч. с заданной энергией Ek,
импульсом pk и массой т. Квантами электромагнитного поля являются фотоны,
кванты других полей соответствуют всем остальным известным Э. ч. Поле, т.
о., есть физическое отражение существования бесконечной совокупности частиц
- квантов. Специальный математический аппарат квантовой теории поля
позволяет описать рождение и уничтожение частицы в каждой точке х.
Трансформационные свойства поля определяют все квантовые числа Э. ч.
Трансформационные свойства по отношению к преобразованиям пространства-
времени (группе Лоренца) задают спин частиц. Так, скаляру соответствует
спин 0, спинору - спин 1/2, вектору - спин 1 и т. д. Существование таких
квантовых чисел, как L, В, 1, Y, Ch и для кварков и глюонов "цвет", следует
из трансформационных свойств полей по отношению к преобразованиям
"внутренних пространств" ("зарядового пространства", "изотопического
пространства", "унитарного пространства" и т. д.). Существование "цвета" у
кварков, в частности, связывается с особым "цветным" унитарным
пространством. Введение "внутренних пространств" в аппарате теории - пока
чисто формальный приём, который, однако, может служить указанием на то, что
размерность физического пространства-времени, отражающаяся в свойствах Э.
ч., реально больше четырёх - размерности пространства-времени, характерной
для всех макроскопических физических процессов. Масса Э. ч. не связана
непосредственно с трансформационными свойствами полей; это дополнительная
их характеристика.
Для описания процессов, происходящих с Э. ч., необходимо знать, как
различные физические поля связаны друг с другом, т. е. знать динамику
полей. В современном аппарате квантовой теории поля сведения о динамике
полей заключены в особой величине, выражающейся через поля - лагранжиане
(точнее, плотности лагранжиана) L. Знание L позволяет в принципе
рассчитывать вероятности переходов от одной совокупности частиц к другой
под влиянием различных взаимодействий. Эти вероятности даются т. н.
матрицей рассеяния (В. Гейзенберг, 1943), выражающейся через L. Лагранжиан
L состоит из лагранжиана Lвз, описывающего поведение свободных полей, и
лагранжиана взаимодействия Lвз, построенного из полей разных частиц и
отражающего возможность их взаимопревращений. Знание Lвз является
определяющим для описания процессов с Э. ч.
Вид Lвз однозначно определяется трансформационными свойствами полей
относительной группы Лоренца и требованием инвариантности относительно этой
группы (релятивистская инвариантность). В течение длительного времени не
были, однако, известны критерии для нахождения Lвз (за исключением
электромагнитных взаимодействий), а сведения о взаимодействиях Э. ч.,
полученные из эксперимента, в большинстве случаев не позволяли осуществить
надёжный выбор между различными возможностями. В этих условиях широкое
распространение получил феноменологический подход к описанию
взаимодействий, основанный либо на выборе простейших форм Lвз, ведущих к
наблюдаемым процессам, либо на прямом изучении характерных свойств
элементов матрицы рассеяния. На этом пути был достигнут значительный успех
в описании процессов с Э. ч. для различных выделенных областей энергий.
Однако многие параметры теории заимствовались из эксперимента, а сам подход
не мог претендовать на универсальность.
В период 50-70-х гг. был достигнут значительный прогресс в понимании
структуры Lвз, который позволил существенно уточнить его форму для сильных
и слабых взаимодействий. Решающую роль в этом продвижении сыграло выяснение
тесной связи между свойствами симметрии взаимодействий Э. ч. и формой Lвз.
Симметрия взаимодействий Э. ч. находит своё отражение в существовании
законов сохранения определённых физических величин и, следовательно, в
сохранении связанных с ними квантовых чисел Э. ч. (см. Сохранения законы).
Точная симметрия, имеющая место для всех классов взаимодействий, отвечает
наличию у Э. ч. точных квантовых чисел; приближённая симметрия, характерная
лишь для некоторых классов взаимодействий (сильных, электромагнитных),
приводит к неточным квантовым числам. Отмечавшееся выше различие классов
взаимодействий в отношении сохранения квантовых чисел Э. ч. отражает
различия в свойствах их симметрии.
Известная форма Lвзэл. м. для электромагнитных взаимодействий есть
следствие существования очевидной симметрии лагранжиана L относительно
умножения комплексных полей j заряженных частиц, входящих в него в
комбинациях типа j*j (здесь * означает комплексное сопряжение), на
множитель eia, где a - произвольное действительное число. Эта симметрия, с
одной стороны, порождает закон сохранения электрического заряда, с другой
стороны, если требовать выполнения симметрии при условии, что a произвольно
зависит от точки х пространства-времени, однозначно приводит к лагранжиану
взаимодействия:
Lвзэл. м. = jmэл. м. (x) Am (x) (1)
где jmэл. м. - четырёхмерный электромагнитный ток (см. Электромагнитные
взаимодействия). Как выяснилось, этот результат имеет общее значение. Во
всех случаях, когда взаимодействия проявляют "внутреннюю" симметрию, т. е.
лагранжиан инвариантен относительно преобразований "внутреннего
пространства", а у Э. ч. возникают соответствующие квантовые числа, следует
требовать, чтобы инвариантность имела место при любой зависимости
параметров преобразования от точки х (т. н. локальная калибровочная
инвариантность; Ян Чжэнь-нин, американский физик Р. Миллс, 1954). Физически
это требование связано с тем, что взаимодействие не может мгновенно
передаваться от точки к точке. Указанное условие удовлетворяется, когда
среди полей, входящих в лагранжиан, присутствуют векторные поля (аналоги Am
(x)), изменяющиеся при преобразованиях "внутренней" симметрии и
взаимодействующие с полями частиц вполне определённым образом, а именно:
Lвз = еr=1n jmr (x) Vmr (x), (2)
где jmr (x) - токи, составленные из полей частиц, Vmr (x) - векторные поля,
называются часто калибровочными полями. Т. о., требование локальности
"внутренней" симметрии фиксирует форму Lвз и выделяет векторные поля как
универсальные переносчики взаимодействий. Свойства векторных полей и их
число "n" определяются свойствами группы "внутренней" симметрии. Если
симметрия точная, то масса кванта поля Vmr равна 0. Для приближенной
симметрии масса кванта векторного поля отлична от нуля. Вид тока jmr
определяется полями частиц с ненулевыми квантовыми числами, связанными с
группой "внутренней" симметрии.
На основании изложенных принципов оказалось возможным подойти к вопросу о
взаимодействии кварков в нуклоне. Эксперименты по рассеянию нейтрино и
антинейтрино на нуклоне показали, что импульс нуклона лишь частично
(примерно на 50%) переносится кварками, а остальная его часть переносится
другим видом материи, которая не взаимодействует с нейтрино.
Предположительно эта часть материи состоит из частиц, которыми обмениваются
кварки и за счёт которых они удерживаются в нуклоне. Эти частицы получили
название "глюонов" (от английского glue - клей). С изложенной выше точки
зрения на взаимодействия эти частицы естественно считать векторными. В
современной теории их существование связывается с симметрией,
обусловливающей появление "цвета" у кварков. Если эта симметрия точная
(цветная SU (3)-симметрия), то глюоны - безмассовые частицы и их число
равно восьми (американский физик И. Намбу, 1966). Взаимодействие кварков с
глюонами даётся Lвз со структурой (2), где ток jmr составлен из полей
кварков. Имеется и основание предполагать, что взаимодействие кварков,
обусловленное обменом безмассовыми глюонами, приводит к силам между
кварками, не убывающим с расстоянием, но строго это не доказано.
Принципиально знание взаимодействия между кварками могло бы явиться основой
для описания взаимодействия всех адронов между собой, т. е. всех сильных
взаимодействий. Это направление в физике адронов быстро развивается.
Использование принципа определяющей роли симметрии (в т. ч. приближённой) в
формировании структуры взаимодействия позволило также продвинуться в
понимании природы лагранжиана слабых взаимодействий. Одновременно была
вскрыта глубокая внутренняя связь слабых и электромагнитных взаимодействий.
В указанном подходе наличие пар лептонов с одинаковым лептонным зарядом: е-
, ve и m-, vm, но различными массами и электрическими зарядами
расценивается не как случайное, а как отражающее существование нарушенной
симметрии типа изотонической (группа SU (2)). Применение принципа
локальности к этой "внутренней" симметрии приводит к характерному
лагранжиану (2), в котором одновременно возникают члены, ответственные за
электромагнитное и слабое взаимодействия (американский физик С. Вайнберг,
1967; А. Салам, 1968):
Lвз = jmэл. м. + Am + jmсл. з. Wm+ + jmсл. з. Wm- + jmсл. н. Zm0 (3)
Здесь jmсл. з., jmсл. н. - заряженный и нейтральный токи слабых
взаимодействий, построенные из полей лептонов, Wm+, Wm-, Zm0 - поля
массивных (из-за нарушенности симметрии) векторных частиц, которые в этой
схеме являются переносчиками слабых взаимодействий (т. н. промежуточные
бозоны), Am - поле фотона. Идея существования заряженного промежуточного
бозона была выдвинута давно (Х. Юкава, 1935). Важно, однако, что в данной
модели единой теории электрон магнитного и слабого взаимодействий
заряженный промежуточный бозон появляется на равной основе с фотоном и
нейтральным промежуточным бозоном. Процессы слабых взаимодействий,
обусловленные нейтральными токами, были обнаружены в 1973, что подтверждает
правильность только что изложенного подхода к формулировке динамики слабых
взаимодействий. Возможны и другие варианты написания лагранжиана Lвзсл с
большим числом нейтральных и заряженных промежуточных бозонов; для
окончательного выбора лагранжиана экспериментальных данных ещё
недостаточно.
Экспериментально промежуточные бозоны пока не обнаружены. Из имеющихся
данных массы W± и Z0 для модели Вайнберга - Салама оцениваются примерно в
60 и 80 Гэв.
Электромагнитное и слабое взаимодействия кварков можно описать в рамках
модели, аналогичной модели Вайнберга - Салама. Рассмотрение на этой основе
электромагнитных и слабых взаимодействий адронов даёт хорошее соответствие
наблюдаемым данным. Общей проблемой при построении таких моделей является
неизвестное пока полное число кварков и лептонов, что не позволяет
определить тип исходной симметрии и характер её нарушения. Поэтому очень
важны дальнейшие экспериментальные исследования.
Единое происхождение электромагнитных и слабых взаимодействий означает, что
в теории исчезает как независимый параметр константа слабых взаимодействий.
Единственной константой остаётся электрический заряд е. Подавленность
слабых процессов при небольших энергиях объясняется большой массой
промежуточных бозонов. При энергиях в системе центра масс, сравнимых с
массами промежуточных бозонов, эффекты электромагнитных и слабых
взаимодействий должны быть одного порядка. Последние, однако, будут
отличаться несохранением ряда квантовых чисел (P, Y, Ch и т. д.).
Имеются попытки рассмотреть на единой основе не только электромагнитные и
слабые, но также и сильные взаимодействия. Исходным для таких попыток
является предположение об единой природе всех видов взаимодействий Э. ч.
(без гравитационного). Наблюдаемые сильные различия между взаимодействиями
считаются обусловленными значительным нарушением симметрии. Эти попытки ещё
недостаточно разработаны и сталкиваются с серьёзными трудностями, в
частности в объяснении различий свойств кварков и лептонов.
Развитие метода получения лагранжиана взаимодействия, основанного на
использовании свойств симметрии, явилось важным шагом на пути, ведущем к
динамической теории Э. ч. Есть все основания думать, что калибровочные
теории поля явятся существенным составным элементом дальнейших
теоретических построений.
Заключение
Некоторые общие проблемы теории элементарных частиц. Новейшее развитие
физики Э. ч. явно выделяет из всех Э. ч. группу частиц, которые
существенным образом определяют специфику процессов микромира. Эти частицы
- возможные кандидаты на роль истинно Э. ч. К их числу принадлежат: частицы
со спином 1/2 - лептоны и кварки, а также частицы со спином 1 - глюоны,
фотон, массивные промежуточные бозоны, осуществляющие разные виды
взаимодействий частиц со спином 1/2. В эту группу скорее всего следует
также включить частицу со спином 2 - гравитон; квант гравитационного поля,
связывающий все Э. ч. В этой схеме многие вопросы, однако, требуют
дальнейшего исследования. Неизвестно, каково полное число лептонов, кварков
и различных векторных (с J = 1) частиц и существуют ли физические принципы,
определяющие это число. Неясны причины деления частиц со спином 1/2 на 2
различные группы: лептоны и кварки. Неясно происхождение внутренних
квантовых чисел лептонов и кварков (L, В, 1, Y, Ch) и такой характеристики
кварков и глюонов, как "цвет". С какими степенями свободы связаны
внутренние квантовые числа? С обычным четырёхмерным пространством-временем
связаны только такие характеристики Э. ч., как J и Р. Какой механизм
определяет массы истинно Э. ч.? Чем обусловлено наличие у Э. ч. различных
классов взаимодействий с различными свойствами симметрии? Эти и другие
вопросы предстоит решить будущей теории Э. ч.
Описание взаимодействий Э. ч., как отмечалось, связано с калибровочными
теориями поля. Эти теории имеют развитый математический аппарат, который
позволяет производить расчёты процессов с Э. ч. (по крайней мере
принципиально) на том же уровне строгости, как и в квантовой
электродинамике. Но в настоящем своём виде калибровочные теории поля
обладают одним серьёзным недостатком, общим с квантовой электродинамикой, -
в них в процессе вычислений появляются бессмысленные бесконечно большие
выражения. С помощью специального приёма переопределения наблюдаемых
величин (массы и заряда) - перенормировки - удаётся устранить бесконечности
из окончательных результатов вычислений. В наиболее хорошо изученной
электродинамике это пока не сказывается на согласии предсказаний теории с
экспериментом. Однако процедура перенормировки- чисто формальный обход
трудности, существующей в аппарате теории, которая на каком-то уровне
точности должна сказаться на степени согласия расчётов с измерениями.
Появление бесконечностей в вычислениях связано с тем, что в лагранжианах
взаимодействий поля разных частиц отнесены к одной точке х, т. е.
предполагается, что частицы точечные, а четырёхмерное пространство-время
остаётся плоским вплоть до самых малых расстояний. В действительности
указанные предположения, по-видимому, неверны по нескольким причинам: а)
истинно Э. ч., вероятнее всего, - материальные объекты конечной
протяжённости; б) свойства пространства-времени в малом (в масштабах,
определяемых т. н. фундаментальной длиной) скорее всего радикально отличны
от его макроскопических свойств; в) на самых малых расстояниях (~10-33 см)
сказывается изменение геометрических свойств пространства-времени за счёт
гравитации. Возможно, эти причины тесно связаны между собой. Так, именно
учёт гравитации наиболее естественно приводит к размерам истинно Э. ч.
порядка 10-33 см, а фундамент, длина l0 может быть связана с гравитационной
постоянной f: " 10-33 см. Любая из этих причин должна привести к
модификации теории и устранению бесконечностей, хотя практическое
выполнение этой модификации может быть весьма сложным.
Очень интересным представляется учёт влияния гравитации на малых
расстояниях. Гравитационное взаимодействие может не только устранять
расходимости в квантовой теории поля, но и обусловливать само существование
первообразующих материи (М. А. Марков, 1966). Если плотность вещества
истинно Э. ч. достаточно велика, гравитационное притяжение может явиться
тем фактором, который определяет устойчивое существование этих материальных
образований. Размеры таких образований должны быть ~10-33 см. В большинстве
экспериментов они будут вести себя как точечные объекты, их гравитационное
взаимодействие будет ничтожно мало и проявится лишь на самых малых
расстояниях, в области, где существенно изменяется геометрия пространства.
Т. о., наметившаяся тенденция к одновременному рассмотрению различных
классов взаимодействий Э. ч. скорее всего должна быть логически завершена
включением в общую схему гравитационного взаимодействия. Именно на базе
одновременного учёта всех видов взаимодействий наиболее вероятно ожидать
создания будущей теории Э. ч.
Список используемой литературы
1) Марков М.А. О природе материи. М., 1976
2) Газиорович С. Физика элементарных частиц, пер. с английского, М. 1969
3) Коккедэ Я., Теория кварков, пер. с англ., М., 1971
4) И., Иоффе Б. Л., Окунь Л. Б., Новые элементарные частицы, "Успехи
физических наук", 1975, т. 117, в. 2, с. 227
5) Боголюбов Н. Н., Ширков Д. В., Введение в теорию квантованных полей, 3
изд., М., 1976;
6) Новости фундаментальной физики, пер. с англ., М., 1977, с 120-240.
