Velikogo ob'edineniya modeli

VELIKOGO OB'EDINENIYa MODELI - teoretich. modeli, edinym obrazom opisyvayushie sil'noe, el.-magn. i slaboe vzaimodeistviya elementarnyh chastic. Soglasno sovr. predstavleniyam, eti tri vida vzaimodeistvii mezhdu chasticami osushestvlyayutsya za schet ispuskaniya i poglosheniya imi chastic - perenoschikov vzaimodeistviya (t. n. promezhutochnyh bozonov). Horosho izvestnym primerom takih chastic yavl. kvanty el.-magn. polya - fotony, obmen k-rymi obespechivaet el.-magn. vzaimodeistvie chastic, nesushih elektrich. zaryady. Zakon vzaimodeistviya elektrich. zaryadov (zakon Kulona) pozvolyaet vvesti abs. meru sily elektrich. vzaimodeistviya - bezrazmernuyu konstantu a_em, k-ruyu nazyvayut el.-magn. konstantoi svyazi ili konstantoi el.-magn. vzaimodeistviya. Dlya opredeleniya chislennogo znacheniya etoi konstanty silu vzaimodeistviya dvuh elementarnyh chastic, nesushih edinichnyi elektrich. zaryad (napr., dvuh elektronov ili dvuh protonov), sleduet umnozhit' na kvadrat rasstoyaniya r² mezhdu zaryadami i razdelit' na . Poluchennaya velichina ne zavisit ot rasstoyaniya v predele, kogda rasstoyanie veliko po sravneniyu s komptonovskoi dlinoi volny elektrona sm. Velichina a_em yavl. bezrazmernoi, t. e. ne zavisit ot sistemy edinic, v k-ryh vyrazheny fiz. velichiny, opredelyayushie el.-magn. vzaimodeistvie. Eksperimental'nye opredeleniya dali znachenie a_em 1/137.

Analogichno el.-magn. vzaimodeistviyu, slaboe vzaimodeistvie takzhe osushestvlyaetsya promezhutochnymi bozonami, no uzhe ne odnim, a tremya: W⁺, W^- i Z⁰. Slaboe vzaimodeistvie tozhe obuslovleno sushestvovaniem specificheskogo zaryada, silu vzaimodeistviya takih zaryadov mozhno oharakterizovat' bezrazmernoi konstantoi a_w, k-raya blizka po velichine k a_em. Rasstoyaniya, na k-ryh promezhutochnye bozony mogut osushestvlyat' vzaimodeistvie, obratno proporcional'ny ih massam. T. k. sily el.-magn. vzaimodeistviya F medlenno spadayut s rasstoyaniem r, tak chto F ^. r² stremitsya k const0 pri r, to govoryat, chto radius deistviya el.-magn. sil beskonechen. Eto ekvivalentno utverzhdeniyu, chto massa fotona ravna nulyu. V otlichie ot fotona promezhutochnye bozony slabogo vzaimodeistviya dovol'no massivny, primerno v 100 raz massivnei protona (v energetich. edinicah ih massa pokoya 80-100 GeV). Etim ob'yasnyaetsya malyi radius deistviya sil slabogo vzaimodeistviya, primerno ravnyi komptonovskoi dline volny W-bozonov (~10^-16 sm), i malaya veroyatnost' obuslovlennyh im processov mikromira. Odnako v ostal'nom sv-va W⁺ - i Z⁰-bozonov shozhi so sv-vami fotonov, tak chto na ochen' malyh rasstoyaniyah (r < 10^-16 sm) ili pri bol'shih energiyah (>100 GeV), kogda chasticy W⁺ i Z⁰ mogut svobodno rozhdat'sya, obmen W⁺ -i Z⁰-bozonami osushestvlyaetsya stol' zhe legko, kak i obmen bezmassovymi chasticami. V etih usloviyah dolzhna sushestvovat' polnaya simmetriya mezhdu el.-magn. i slabym vzaimodeistviyami. Eti vzaimodeistviya, imeyushie, po-sushestvu, edinuyu prirodu, nazyvayut chasto elektroslabymi vzaimodeistviyami. Elektroslabye vzaimodeistviya harakterizuyutsya dvumya nezavisimymi konstantami a₁ i a₂, k-rye blizki no poryadku velichiny. Konstanty a_em i a_w mozhno lineino vyrazit' cherez a₁ i a₂. Sushestvovanie W - i Z⁰-bozonov dokazano eksperimental'no (1983 g.). Prichem ih massy [m_w (81+2) GeV, m_z0 (932) GeV v energetich. edinicah] sovpali so znacheniyami, predskazannymi teoriei.

Soglasno sovr. teorii, sil'nye vzaimodeistviya obuslovleny obmenom eshe odnim tipom promezhutochnyh bozonov - glyuonami. Glyuony, kak i kvarki, k-rye obmenivayutsya glyuonami, obladayut t. n. cvetovymi zaryadami. Sushestvuet tri tipa cvetovyh zaryadov i vosem' vidov glyuonov. Silu cvetovogo vzaimodeistviya harakterizuyut konstantoi a_s, ona priblizitel'no na poryadok velichiny prevyshaet a_em.

Iz kvantovoi elektrodinamiki izvestno, chto a_em ne yavl. postoyannoi velichinoi, a menyaetsya pri izmenenii rasstoyaniya mezhdu vzaimodeistvuyushimi chasticami. Delo v tom, chto kazhdaya chastica (elektron, proton i dr.) yavl. "odetoi" - okruzhennoi oblakom (ili "shuboi") t. n. virtual'nyh chastic, k-rye na korotkoe vremya rozhdayutsya iz vakuuma i pogloshayutsya vnov'. Elektron, napr., okruzhen virtual'nymi elektron - pozitronnymi parami i vzaimodeistvuet s nimi: ottalkivaet virtual'nye elektrony i prityagivaet virtual'nye pozitrony. V rezul'tate vokrug elektrona nahodyatsya preimushestvenno polozhitel'nye zaryady, k-rye chastichno ekraniruyut zaryad elektrona. Po mere proniknoveniya v glub' oblaka polozhitel'no zaryazhennyh virtual'nyh chastic ih ekraniruyushee deistvie dolzhno umen'shat'sya, a effektivnyi zaryad elektrona rasti. Sledovatel'no, velichina a_em zavisit ot rasstoyaniya. Ekraniruyushee deistvie virtual'nyh zaryadov perestaet deistvovat' pri r > l_e, poetomu pri r >> l_e velichina a_em priobretaet postoyannoe znachenie 1/137. Pri r < l_e znachenie a na rasstoyanii r² svyazano so znacheniem na rasstoyanii r¹ vyrazheniem

Zavisimost' a(r) imeet medlennyi, logarifmicheskii harakter. Obychno f-cnyu a(r) izuchayut v zavisimosti ne ot r, a ot energii vzaimodeistvuyushih chastic e: chem vyshe e, tem men'she rasstoyaniya, na k-rye chasticy mogut sblizhat'sya (r ~ 1/e). Znachenie i znak postoyannoi b v f-le (1) zavisyat ot haraktera vzaimodeistviya. Znak b mozhet byt' kak polozhitel'nym, chto otvechaet uvelicheniyu zaryada s umen'sheniem rasstoyaniya (ekranirovka), tak i otricatel'nym, chto otvechaet umen'sheniyu zaryada pri umen'shenii rasstoyaniya (antiekranirovka). Vtoroi sluchai vozmozhen togda, kogda sami perenoschiki vzaimodeistviya (analogi fotonov) yavl. zaryazhennymi i vzaimodeistvuyut drug s drugom. Kak raz takoi sluchai rassmatrivaet teoriya sil'nogo vzaimodeistviya (glyuony nesut cvetovoi zaryad), poetomu cvetovoi zaryad i a_c ubyvayut s rostom energii (s umen'sheniem rasstoyaniya mezhdu chasticami). Chto kasaetsya konstant elsktroslabogo vzaimodeistviya, to odna iz nih takzhe umen'shaetsya s energiei, a drugaya, naprotiv, rastet. Udivitelen fakt, chto vse tri konstanty (a₁, a₂, a_c) stanovyatsya ravnymi drug drugu pri odnoi n toi zhe energii. Eta energiya naz. energiei ob'edineniya. Po masshtabam mikromira ona chrezvychaino velika (e_ob ~10¹⁴-10¹⁵ GeV). Pri e > e_ob (ili na rasstoyaniyah sm) sil'nye i elektroslabye vzaimodeistviya opisyvayutsya edinoi konstantoi, t. e. imeyut obshuyu prirodu. Modeli, edinym obrazom opisyvayushie vse fundamental'nye vzaimodeistviya, naz. modelyami velikogo ob'edineniya. Sushestvuyut takzhe teoretnch. shemy, v ramkah k-ryh ob'edinyayutsya vse izvestnye tipy vzaimodeistvii, t. e. k el.-magn., slabomu p sil'nomu vzaimodeistviyam dobavlyaetsya eshe gravitaciya. Ih naz. shemami supergravitacii.

V. o. m. imeyut delo s energiei chastic ~10¹⁴ GeV i vyshe. Edva li mozhno nadeyat'sya, chto kogda-nibud' v eksperimente udastsya poluchit' chasticy stol' vysokih energii. Tem ne menee sam princip edinogo ob'yasneniya vseh treh tipov vzaimodeistvii nesomnenno vazhen dlya poznaniya okruzhayushego nas mira. Bolee togo, V. o. m. pozvolyayut teoreticheski obosnovat' ryad vazhneishih eksperimental'nyh faktov (napr., kvantovanie elektrich. zaryada) i predskazat' vozmozhnost' fiz. processov (v chastnosti, vozmozhnost' raspada protona), sushestvenno vliyayushih na sv-va Vselennoi.

Odno iz vazhnyh sledstvii V. o. m.- nesohranenie barionnogo chisla (barionnogo zaryada, sm. Zaryad, Barionnaya asimmetriya Vselennoi). Delo v tom, chto pri GeV kvarki, obladayushie barionnym zaryadom, i leptony (elektron, myuonn dr.), takovym zaryadom ne obladayushie, fakticheski ne otlichimy drug ot druga. V edinom opisanii vzaimodeistvii neizbezhno prihoditsya rassmatrivat' prevrasheniya odnih chastic v drugie, pri k-ryh menyayutsya kvantovye chisla chastic (cvet, aromat) i leptony prevrashayutsya v kvarki i antikvarki. Takie prevrasheniya svyazyvayut s sushestvovaniem sverhtyazhelyh promezhutochnyh bozonov X n Y, obmen k-rymi dolzhen privodit' k perehodam kvarkov v leptony ili kvarkov v antikvarkn, t. e. k processam nesohraneniya barionnogo (a takzhe i leptonnogo) chisla. K takogo roda processam otnositsya, v chastnosti, raspad protona po kanalam rp⁰ + e⁺e⁺ + 2g i rp⁺ + n. Iz V. o. m. sleduet, chto veroyatnost' protonnogo raspada opredelyaetsya faktorom (m_p/m_X] 10^-60, t. e. veroyatnost' rozhdeniya H- ili Y-bozona v "nedrah" protona chrezvychaino mala. Eksperimental'noe obnaruzhenie raspada protona moglo by stat' veskim dovodom v pol'zu V. o. m. i sushestvovaniya X- i Y- bozonov. Poka eksperimenty lish' pokazali, chto vremya zhizni protona t_p>10³¹ let, a eto znachit, chto massy H- i Y-bozonov ochen' veliki (na mnogo poryadkov bol'she massy W⁺ - i Z⁰-bozonov) i processy s ih uchastiem obladayut kraine maloi veroyatnost'yu. Esli eto deistvitel'no tak, to edinstvennym sovr. argumentom v pol'zu predskazyvaemogo V. o. m. nesohranenii barionnogo zaryada yavl. nablyudaemaya barionnaya asimmetriya Vselennoi.

Ryad V. o. m. predskazyvaet oscillyacii (perehody) neitron-antineitron, a takzhe nalichie u neitrino v massy pokoya i sushestvovanie neitrinnyh oscillyacii (t. e. pernodich. prevrashenii odnogo vida neitrino v drugoi, napr. ). Odnako v celom kosmologiya okazyvaetsya chut' li ne osn. oblast'yu primeneniya i proverki V. o. m. Tak, bez V. o. m. nevozmozhno opisat' rannyuyu stadiyu evolyucii Vselennoi, kogda temp-pa pervichnoi plazmy prevoshodila 10²⁷ K i mogli rozhdat'sya i annigilirovat' sverhtyazhelye bozony (X i Y). Ryad vyvodov V. o. m. mozhno proverit', sopostavlyaya teoretich. predskazaniya s sovr. astronomnch. dannymi, napr, s sovr. otnosheniem koncentracii barionov i reliktovyh fotonov vo Vselennoi.

Iz V. o. m. vytekaet vozmozhnost' specificheskih fazovyh perehodov v pervichnoi plazme pri ee ohlazhdenii. Eti perehody pohozhi na fazovye perehody 1-go i 2-go roda: na kristallizaciyu i poyavlenie spontannoi namagnichennosti u ferromagnetika pri ego ohlazhdenii nizhe tochki Kyuri. V rezul'tate takih perehodov mogli poyavit'sya osobye, ne nablyudavshiesya do sih nor ob'ekty Vselennoi s kolossal'noi plotnost'yu energii. Napr., esli sushestvuet bolee odnogo sostoyaniya materii s minim. energiei (t. e. vakuumnogo sostoyaniya), to pri ohlazhdenii pervichnoi plazmy mogla vozniknut' t. n. domennaya struktura vakuuma, kogda oblasti s razlichnymi sostoyaniyami vakuuma otdeleny drug ot druga domennymi stenkami - otnositel'no tonkimi obrazovaniyami s ochen' bol'shoi plotnost'yu energii. Esli vakuumnye sostoyaniya mogut perehodit' drug v druga nepreryvno (bez skachkov ot domena k domenu), to v takom variante teoriya predskazyvaet sushestvovanie vo Vselennoi dlinnyh tonkih ob'ektov - "strun" takzhe s bol'shoi plotnost'yu energii. Dannye astronomich. nablyudenii (obnaruzhenie domennyh stenok ili "strun" ili otsutstvie etih obrazovanii vo Vselennoi) mogli by podtverdit' razvivaemye modeli ili nalozhit' na nih sushestvennye ogranicheniya.

Vo Vselennoi ne obyazatel'no dolzhny byt' domennye stenki i "struny", no, po-vidimomu, neizbezhnym sledstviem vseh variantov V. o. m. okazyvaetsya sushestvovanie chasticy, obladayushei elementarnym magn. zaryadom (ee naz. magnitnym monopolem). Vozmozhnoe sushestvovanie v prirode magn. monopolei predstavlyaet znachit. trudnosti dlya V. o. m., t. k. predskazyvaemaya teoriei koncentraciya monopolei vyhodit daleko za ramkn ogranichenii, nakladyvaemyh nablyudeniyami. V nek-ryh variantah V. o. m. vozmozhny fazovye perehody 1-go roda, kogda Vselennaya perehodit v energeticheski bolee vygodnye sostoyaniya s sil'noi zaderzhkoi vo vremeni (izvestnyi analog - pereohlazhdennaya zhidkost'). Pri takoi zaderzhke Vselennaya mozhet nahodit'sya v metastabil'nom sostoyanii, kogda vakuum imeet nenulevuyu plotnost' energii n eta velichina opredelyaet harakter rasshireniya mira. Zatem v konce koncov proishodit fazovyi perehod v vakuumnoe sostoyanie s nulevoi energiei, a osvobozhdennaya energiya perehodit v energiyu rozhdennyh pri fazovom perehode elementarnyh chastic. V takom scenarii evolyucii Vselennoi v principe mogut byt' resheny izvestnaya kosmologich. problema blizosti sr. plotnosti veshestva vo Vselennoi k kriticheskoi, problemy gorizonta Vselennoi, izotropii i odnorodnosti Vselennoi (sm. Kosmologiya). Krome togo, predskazyvaetsya koncentraciya reliktovyh magn. monopolei, ne protivorechashaya ogranicheniyu, nakladyvaemomu nablyudeniyami. Takuyu kosmologich. model' naz. model'yu razduvayusheisya Vselennoi ili model'yu inflyacionnoi Vselennoi. Vse zhe poka ni odin iz variantov inflyacionnoi modeli ne okazalsya vpolne udovletvoritel'nym. Vozmozhno, imeyushiesya trudnosti udastsya preodolet', esli budet naidena istinnaya model' velikogo ob'edineniya.

Lit.:
Zel'dovich Ya. B., Teoriya vakuuma, byt' mozhet, reshaet zagadku kosmologii, "UFN", 1981, t. 133, v. 3, s. 479;
Dzhordzhi X., Edinaya teoriya elementarnyh chastic i sil, "UFN", 1982, t. 136, v. 2, s. 286;
Okun' L. B., Leptony n kvarki, M., 1981.

(A.D. Dolgov, M.Yu. Hlopov)