5. Классификация и попытки создания единой теории элементарных частиц

Все ныне известные элементарные частицы можно разделить на группы по их общим свойствам и отношению к взаимодействию. Таких взаимодействий в природе известно четыре: сильное, электромагнитное, слабое и гравитационное.

Сильное взаимодействие имеет наибольшую по сравнению с другими взаимодействиями интенсивность. Оно определяет связь протонов и нейтронов в ядрах атомов (путем обмена виртуальными л-мезонами), что и обеспечивает исключительную прочность этих образований.

Электромагнитноевзаимодействие характеризует менее интенсивные процессы. Оно обусловливает связь атомных электронов с ядрами, связь атомов в молекулах, а также взаимодействия вещества с электромагнитными полями.

Слабое взаимодействие характеризует процессы, связанные с самими частицами, в частности с (β-распадом, а также с распадами μ, π, К-мезонов и гиперонов. Оказалось, что слабое взаимодействие носит универсальный характер, в нем участвуют все частицы. Время жизни большинства таких частиц лежит в диапазоне 10^-8- 10^-10с, тогда как типичное время сильных взаимодействий составляет 10^-23-10^-24с. Иллюстрацией подобного взаимодействия может служить тот факт, что нейтрино, способные только к слабому взаимодействию, могут беспрепятственно проходить в веществе расстояние ~10¹⁴ км.

Гравитационное взаимодействие, столь хорошо известное по своим макроскопическим проявлениям, в случае элементарных частиц дает чрезвычайно незначительные эффекты из-за малой величины их масс. Однако эти эффекты значительно возрастают и в микромире на расстояниях порядка 10^-33см, поскольку увеличивается масса порождаемых частиц. Эти взаимодействия играют доминирующую роль в мегамире.

Сопоставление указанных четырех взаимодействий по безразмерным параметрам, связанным с квадратами соответствующих констант взаимодействий, дает для сильного, электромагнитного, слабого и гравитационного следующие отношения: 1:10^-3:10^-10:10^-38. Вообще говоря, интенсивность различных процессов по-разному зависит от энергии, поэтому с ростом энергии взаимодействующих частиц меняется относительная роль различных взаимодействий.

В зависимости от участия в тех или иных видах взаимодействий все частицы, как мы уже указывали, можно разделить на четыре группы.

I группа: е, μ, τ, ν_е, ν_μ, ν_τ - лептоны участвуют в слабых и электромагнитных взаимодействиях; II группу составляют сильно взаимодействующие частицы (их сейчас насчитывается более 300), называемые адронами (они также участвуют в слабых и электромагнитных взаимодействиях).

Изучение адронов привело к выводу о наличии общего в их структуре. В 1964 г. М. Гелл-Манн и Дж. Цвейг высказали гипотезу о том, что в структуру всех адронов входят экзотические по своим характеристикам объекты, получившие название кварки. Предполагалось, что существует три вида кварков u, d, s, заряды которых дробные е_u=+²/_з, e_d = e_s=-¹/_з заряда электрона, а массы m_u = m_d~300 МэВ, m_s~450 МэВ. В дальнейшем, так требовала логика развития теории, для описания слабых взаимодействий адронов (слабых распадов) пришлось ввести кварки еще одного типа, так называемые с-кварки с зарядом е_с = е_u = +²/_з заряда электрона. Этот кварк характеризуется новым квантовым числом, названным charm -"очарование".

В ноябре 1974 г. была открыта новая частица J/ψ с необычными свойствами (масса 3,1 ГэВ примерно в три раза больше массы протона), время жизни ~10^-20с (т. е. в 1000 раз дольше, чем любые известные ранее частицы с такой большой массой). Она распадается на пары е⁺ + е^- или μ⁺ + μ^-. Вскоре была также открыта частица, получившая название ψ'(масса 3,7 ГэВ).

Эксперименты показали, что частицы J/ψ, ψ' принадлежат целому семейству мезонов, которое хорошо соответствует спектру чармония с эффективной массой, соответствующей предсказанной теорией массой с-кварка (m_с≈1,6 ГэВ). Для окончательного подтверждения существования с-кварка необходимо было открыть адроны с явным "очарованием". В настоящее время обнаружены явления, указывающие на рождение очарованных частиц.

Физики считают, что существование с-кварка экспериментально подтверждено. Но так как существование с-кварков основывалось на предположении о существовании легких кварков - u, d, s, то открытие очарованных чармированных адронов имеет фундаментальное значение для подтверждения истинности всей кварковой гипотезы.

Физики-теоретики пришли к выводу о том, что кварки каждого типа должны находиться в одном из трех состояний, которые сейчас принято характеризовать тремя цветами (например, желтым, синим, красным); они предполагают, что сильное взаимодействие кварков - это взаимодействие их цвета с новым полем, т. н. глюонным (от англ. glue - клей, т. к. это поле как бы "склеивает" кварки в адроне). Кванты глюонного поля - глюоны - не участвуют в электромагнитных и слабых взаимодействиях. Они не только изменяют цветовое состояние кварка, но и сами несут цвет и взаимодействуют с глюонным полем. Все это породило по аналогии с квантовой электродинамикой новую отрасль физики - так называемую квантовую хромодинамику.

Важно подчеркнуть, что кварки и глюоны не наблюдаются в свободном состоянии, они не "вылетают" из адронов.

Имеются специальные исследования, где доказывается принципиальная невозможность существования кварков в свободном состоянии.

Физики уже давно пытаются создать и непротиворечивую теорию слабых взаимодействий. В 1967 г. С. Вайнберг и А. Салам предложили вариант такой теории - построили модель на основе использования общих принципов симметрии. Этой теорией было предсказано существование ранее неизвестных частиц - квантов особых векторных полей, ответственных за перенос как слабых, так и электромагнитных взаимодействий.

Две из этих частиц W^± должны иметь заряды и могут быть реально наблюдаемыми, так как, по их мнению, именно обмен заряженными W^±-мезонами и порождает слабое взаимодействие так называемых заряженных токов. Что же касается двух нейтральных частиц W°, B°-квантов нейтронных полей, то физически наблюдаемыми могут оказаться кванты любой их линейной комбинации:

где Θ_W,- так называемый угол Вайнберга.

Было показано, что одна из их комбинаций - так называемое поле A - отождествляется с электромагнитным полем, а обмен нейтральными Z°-мезонами порождает новый тип слабых взаимодействий - так называемые нейтральные токи, которые и были открыты в 1973 г. Они стали первым подтверждением относительной истинности модели Вайнберга-Салама. В настоящее время W^± и Z°-частицы открыты.

Необходимо обратить внимание и на открытие новых лептонов. Это исключительно редкое событие. Достаточно напомнить, что электрон (е) был открыт в 1897 г., а мюон (μ) в 1936-1938 гг. В 1975-1976 гг. появились данные в пользу существования τ^±, так называемого тяжелого лептона с массой 1,8 ГэВ (2 Мр). Изучение τ-лептона дает еще один аргумент в пользу трех состояний кварков. Было высказано предположение и о существовании нового лептона (v_τ - нового нейтрино), τ-лептон имеет новое лептонное квантовое число, которое было названо секволептоном (от англ. sequential - последовательный).

Дальнейшие исследования привели к выводу, что для восстановления симметрии следовало бы увеличить число кварков. Четырех стало уже недостаточно для описания объектов микромира, необходимо было ввести еще два кварка. Дело в том, что в мае - июне 1977 г. группой Л. Ледермана были получены важные результаты, а именно - обнаружено новое семейство тяжелых частиц с массами ~10 ГэВ.

Открытие этих частиц (они были названы γ-мезонами) вызвало к жизни необходимость существования еще более тяжелого кварка "b" с эффективной массой m_b~5 ГэВ с новым квантовым числом, получившим название "прелесть" (от англ. beauty).

Новые γ-мезоны - это частицы со скрытой прелестью. Таким образом, изучение адронов и лептонов обогатило науку знанием о новых объектах, об их количественных и качественных характеристиках, об их взаимодействиях. Все это свидетельствует о наступлении новой эпохи в изучении неисчерпаемых свойств микрообъектов, составляющих в совокупности с различными полями фрагмент целостного материального мира.

Сейчас появилась надежда на создание и единой теории взаимодействия. В свое время А. Эйнштейн пытался создать такую теорию поля. В. Гейзенберг также приложил немало усилий для построения единой (так называемой спинорной) теории "праматерии". Ныне мы стали свидетелями становления еще одного из вариантов единой теории взаимодействия, получившего название Великого объединения.

Уже удалось создать единое электрослабое взаимодействие, получены обнадеживающие результаты в объединении сильного и электрослабого взаимодействий; причем сильное и слабое взаимодействия сами по себе являются его проявлением. Вне объединения остается еще гравитационное взаимодействие, но есть уже подходы к включению в единую теорию взаимодействия и его (суперсимметрия).

Современное развитие физики элементарных частиц позволило показать, что известные частицы (лептоны, адроны, кварки, глюоны, фотоны) существенным образом определяют специфику процессов микромира. Судя по всему, этот перечень далек от своего завершения, как и сама теория элементарных частиц.

Как отмечалось, физика элементарных частиц располагает огромным эмпирическим материалом и теория уже дает рациональное объяснение значительной его части. Однако она еще существенно отстает от эксперимента и не является внутренне замкнутой системой определенных принципов и понятий, хотя ее понятийный аппарат значительно более емкий и отличается от аппарата ранее существовавших теорий.

Рассмотрим теперь в ретроспективе некоторые попытки построения единой теории, охватывающей все частицы и поля. Здесь имеются две основные тенденции, в конечном счете связанные друг с другом. Первая из них ведет начало от идеи Луи де Бройля, состоящей в том, чтобы положить в основу простейшую волновую функцию спинорного типа, описывающую частицу с минимальным неисчезающим угловым моментом, т. е. спином S=¹/₂ (в долях ^h/_2π). Тогда, комбинируя эти волновые функции (в конце концов перемножая), мы при некоторых дополнительных условиях получим путем подобного "слияния" все другие возможные волновые функции частиц со спинами 0,1; ³/₂; 2... Комбинируя два угловых момента +¹/₂ и - ¹/₂, получим 0, комбинируя два угловых момента +¹/₂ и +¹/₂, получим 1 (так как спины + ¹/₂ могут ориентироваться лишь параллельно либо антипараллельно). Методом слияния удается, комбинируя два уравнения Дирака, описывающие спиновые частицы ("фермионы"), получить уравнения Клейна-Гордона и Прока, а в частном случае - исчезающей массы покоя - уравнения электродинамики Максвелла. Таким путем в принципе возможно из пар нейтрино-антинейтрино построить фотоны. Идеи нейтринной теории света Луи де Бройля развивали Крониг, Иордан, А. Соколов.

Слабым пунктом метода слияния является отсутствие каких-либо сил, которые обусловливают самое слияние. Остается неясным, что заставляет, например, нейтрино превращаться в кванты электромагнитного поля. Ответ на этот вопрос пыталась дать так называемая нелинейная единая спинорная теория материи В. Гейзенберга. Название этой теории явно неудачно. Речь шла о создании единой теории элементарных частиц и полей, а не о теории материи, ибо единственной теорией материи, как объективной реальности, существующей вне и независимо от познающего субъекта, является диалектический материализм. Если мы примем за основу новой теории некоторое единое спинорное поле, то оно способно взаимодействовать лишь само с собой. Это приводит к появлению так называемых нелинейных членов в уравнениях Дирака (которые были впервые введены Д. Иваненко еще в 1938 г.), а затем более подробно рассмотрены В. Гейзенбергом (193, 441-485; 34).

Эта теория не дает точных значений масс частиц и констант связи, но, несомненно, это одна из попыток, заслуживающих внимания, хотя она и не лишена недостатков. Это только программа исследований, которую не следует переоценивать, как это уже имело место в отдельных статьях, опубликованных в нашей печати.

Необходимо иметь в виду, что уже несколько лет назад была вскрыта некорректность математической трактовки спинорной теории Гейзенберга, а также было показано, что введенная Гейзенбергом индефинитная метрика приводит к нарушению микропричинности. Можно с большим основанием считать, что конкретная попытка Гейзенберга создать единую теорию элементарных частиц пока потерпела неудачу, но избранное им направление исследования не следует сбрасывать со счетов, В последние годы наблюдается своеобразный возврат к идеям В. Гейзенберга.

В 1958 г. в США, когда Паули докладывал о теории Гейзенберга, присутствовавший на обсуждении Н. Бор бросил реплику: "Для новой теории теория Гейзенберга недостаточно сумасшедшая" (crasy) (23, 20). Н. Бор имел в виду отсутствие в этой теории необычной, диковинной идеи. На наш взгляд, такой идеи у физиков еще нет. Академик И. Тамм считал наиболее перспективным направлением в разработке теории элементарных частиц попытки коренным образом пересмотреть наши пространственно-временные представления в применении к ультрамалым масштабам. Он ссылается на высказывания академика Л. Т. Мандельштама о неприменимости обычных понятий пространства и времени к ядерным масштабам, а также на работы X. Снайдера (1947), предложившего способ квантования пространства и времени, приводящий к выводу о дискретности пространства. Снайдер показал, что квантованное пространство, т. е. пространство некоммутирующих между собой координат, дискретно и вместе с тем изотропно. Однако идеи Снайдера дальнейшего развития почти не получили за исключением работ Гольфанда и Кадышевского.

В. Г. Кадышевский (50. 1961. 136. (1)) предлагал ввести в теорию элементарных частиц универсальную длину "l" на основе изменения геометрии пространства-времени. Он считал, что новая геометрия должна удовлетворять следующим условиям:

а) форма S² = X²₀ - X²₂ неинвариантна преобразованию координат, при этом группа движений допускала бы меньшую степень изотропии 4-пространства, чем Лоренцова группа;

б) неинвариантность интервала и наличие универсальной длины были бы причинами несохранения четности;

в) должна существовать подгруппа, для которой S² есть инвариант, чтобы можно было описать симметрии больших областей 4-пространства - больших по сравнению с элементарной длиной "l". Длину "l" автор связывает с величиной С - универсальной константой слабого взаимодействия. После выделения множителей "h" и "С" для "l" следует при этом значение 7*10^-17см. Эта и последовавшие за ней работы очень интересны, но пока возможности данной теории остаются неясными.

В 1959 г. канадский физик X. Коиш и советский физик И. С. Шапиро в своих исследованиях рассмотрели дискретное пространство, состоящее из конечного числа элементов, и показали хорошее совпадение ряда выводов с экспериментальными данными. Это также один из возможных поисковых путей, приближающий к созданию систематики элементарных частиц, к новой обобщающей физической теории. Однако И. С. Шапиро, выступая в 1962 г. на Совещании по философским проблемам физики элементарных частиц, оценил свои работы как начальную стадию, весьма отдаленную от создания теории, позволяющей провести сравнение с опытом. Философский анализ этой проблемы дал Р. А. Аронов (31.1957.3).

В физике рассматривались вопросы о так называемых спектральных представлениях и дисперсионных соотношениях. По мнению ряда физиков, это был своеобразный новый этап в ее развитии, когда исследовались аналитические свойства физических величин (например, амплитуды рассеяния) при продолжении их от вещественных значений в комплексную область. Применение к этим величинам теории функций комплексного переменного дало чрезвычайно важные результаты. Мандельштам (99) ввел двойные дисперсионные соотношения, рассматривая комплексные значения не только энергии, но и импульса. Редже предложил обобщение формализма S-матрицы и дисперсионных соотношений в комплексные значения углового момента. В результате применения "реджистики" были определены соотношения между амплитудами вероятностей различных процессов рассеяния: ππ, πN, NN и т. д. при высоких энергиях. Однако существуют данные (в области физики сверхвысоких энергий), которые ограничивают претензии "реджистов" на всеобъемлемость их представлений.

Академик И. Тамм считал дисперсионную теорию в известной мере феноменологической, так как она, не вдаваясь в механизм элементарных физических явлений, извлекает из данных опыта численные значения ряда входящих в нее параметров и затем правильно предсказывает результаты гораздо более обширного круга экспериментов, чем те, на основании которых были определены эти параметры. Во втором издании настоящей книги мы писали (С. 194), что хотя на первый взгляд здесь проявляется тесное единство теории и практики, но нам кажется, что сама теория носит рецептурный характер. Мы были согласны с выводом И. Тамма о том, что "успехи дисперсионной теории (как настоящие, так и будущие) отнюдь не решают основной задачи создания новой физической теории, базирующейся на ограниченном числе общих принципов и постулатов" (23, 21). Последующее развитие физики подтвердило эти предположения. Было много и других попыток построить теорию элементарных частиц. Кратко разберем некоторые из них.

Ферми и Янг предложили рассматривать п-мезон как образованный из нуклона и антинуклона при помощи каких-то еще неизвестных сил, действующих на крайне малых расстояниях р+¯р = π. Огромная потенциальная энергия связи "съедает" почти всю массу обоих нуклонов, оставляя лишь массу пиона. Вызвало интерес предложение С. Сакаты, положившего в основу теории р,π, λ и три соответственные античастицы. Тогда, комбинируя эти основные частицы, можно получить все пионы, K-мезоны и гипероны. "Эта модель,- писал С. Саката,- привлекла к себе внимание, так как она не только служила "субстанциональной" основой для структуры сильного взаимодействия, но и позволила объяснить спектр масс составных частиц и предсказала существование тогда открывавшихся резонансных частиц" (74, 168). Впрочем, природа сил сцепления оставалась при этом неясной. Минимум три основные частицы необходимы для того, чтобы обеспечить присутствие таких фундаментальных свойств, как заряд, изоспин, странность (представленная λ-гипероном). Ясно опять-таки, что в основу следует положить "вращающиеся" спинорные частицы, фермионы, так как при отсутствии "вращения" его неоткуда было бы получить. Мы видим здесь своеобразное возрождение теории Гельмгольца и Кельвина, пытавшихся в середине XIX в. строить материю из гипотетических эфирных вихрей.

При построении "составной" модели Саката исходил из следующего взгляда на элементарные частицы: "...я рассматриваю элементарные частицы как один из нескончаемого множества уровней строения материи, качественно отличающихся друг от друга и в совокупности образующих природу. Моя точка зрения основывается на положениях материалистической диалектики... нужно прежде всего установить, относятся ли открытые к настоящему времени тридцать с лишним видов элементарных частиц к одному или нескольким различным уровням строения материи" (31. 1962. 6, 134). Саката и его сотрудники попытались включить в свою схему и лептоны. За основу берутся лептоны е^-, v, μ и некоторое "барионное" поле В (так называемая В-материя). Комбинируя один из лептонов с полем В, они получают основные частицы. Тем самым осуществляется сходство, подмеченное Маршаком - Гамба - Окуба (203) между барионами (р, π, λ и лептонами v, e^-, μ^-). Эта же симметрия осуществляется в нелинейной спинорной теории частиц.

Маршак назвал свои соображения о симметрии "киевской симметрией", поскольку они родились на симпозиумах Киевской конференции по физике высоких энергий летом 1959 г. Речь идет (как мы уже упоминали) о некоторой аналогии, существовавшей между тройками барионов (р, π, λ) и лептонов (v, e^-, μ^-). Любому члену четырехфермионного взаимодействия, с участием операторов этих частиц, можно противопоставить аналогичный член, получаемый из первого заменой λ на μ^-, π на е^-, р на v. Тогда, если процесс является ^{разрешенным}/_{запрещенным} до замены, то он остается ^{разрешенным}/_{запрещенным} после замены одной частицы из ^{барионной}/_{лептонной} триады на "симметрофактор" из ^{лептонной}/_{барионной} тройки. Маршак указывает, что он внимательно проанализировал все экспериментальные данные и не нашел ни одного случая, противоречащего указанной "симметрии", однако природа этой симметрии остается пока невыясненной. Теперь, когда уже создана кварковая модель, возникла возможность интерпретировать киевскую симметрию как соответствие четырех кварков - u, с, d, s четырем лептонам - v_е, v_μ, e, μ, но природа этой симметрии по-прежнему недостаточно известна.

Мы знаем, что всякая, даже самая удачная попытка создания единой теории вещества и поля неизбежно будет носить временный, преходящий характер. Дальнейшее теоретическое и экспериментальное проникновение в глубь микромира и, все более широкие исследования явлений в космосе, неизбежно нарушая любую единую картину, приведут к ее распаду на отдельные элементы, пока вновь не возникнут тенденции к объединению уже на более высоком уровне.

Введение различных понятий, отражающих реальные свойства частиц (изотопический спин, странность, барионный заряд и т. д.), приблизило нас к правильной классификации частиц. Огромная роль в классификации микрочастиц принадлежит принципу симметрии. Нетрудно заметить, что элементарные частицы каждого класса (фотоны, лептоны, мезоны, гипероны) обладают определенными, общими для них свойствами симметрии, но этот вопрос мы более подробно рассмотрим в ходе дальнейшего изложения.

Дж. Чу, М. Гелл-Манн и И. Нееман (21, 5Е) предложили новую классификацию сильно взаимодействующих частиц вещества, в которой разделение частиц на элементарные и сложные (составные) теряет смысл. Эти авторы предложили рассматривать частицы объединенными в группы (супермультиплеты) так, что частицы с разной массой покоя в каждой группе могут рассматриваться как различные возбужденные состояния одной и той же системы. Спектр масс частиц в этой схеме имеет близкую аналогию со спектром энергетических состояний атома. Каждая из частиц может с одинаковым основанием рассматриваться и как простая и как сложная. Для нахождения спектра масс предлагаются два метода: один из них основан на свойствах симметрии и теории групп, другой - на использовании так называемых траекторий Редже, т. е. кривых, связывающих массу частицы с ее внутренним моментом количества движения (спином) в каждой группе.

Многие физики в настоящее время считают, что октетная схема Гелл-Манна является наиболее удачной. В ее основе лежит принцип SU(3) симметрии. Восемь известных барионов рассматриваются как супермультиплет, соответствующий высшей симметрии; эта симметрия нарушается, и супермультиплет расщепляется в изотопические спиновые мультиплеты. Сильно взаимодействующие частицы описываются в пространстве "унитарного спина", который имеет восемь компонентов: первые три из них представляют собой компоненты изоспина, следующие четыре играют роль операторов, изменяющих странность, и последняя пропорциональна гиперзаряду. При нарушении высшей симметрии ("унитарной") сохраняются изоспин и гиперзаряд, а компоненты унитарного спина, соответствующие странности, изменяются; в результате происходит расщепление супермультиплета в изотопические спиновые мультиплеты. Таким образом, теория Гелл-Манна в какой-то степени учитывает глубокое диалектическое единство симметрии и асимметрии в мире элементарных частиц. Именно это позволило данной теории объединить сильно взаимодействующие частицы по стройной схеме и в то же время отразить их специфику (асимметрию свойств). В октетной схеме Гелл-Манна еще раз проявляется огромная эвристическая сила принципа симметрии. В рамках гипотезы "восьмеричного пути" на основе представлений симметрии и законов сохранения было предсказано существование Ω-гиперона, который был открыт на брукхэйвенском ускорителе в США (214). В свое время мы писали, что успехи, к которым привел учет в теории свойства унитарной симметрии, вселяют надежду, что экспериментальные исследования приведут к обнаружению и других предсказанных теорией частиц с дробным электрическим зарядом (±¹/_з и ±²/_з заряда электрона), так называемых кварков. Последующее развитие физики оправдало эти надежды.

Укажем еще на некоторые попытки систематизации элементарных частиц. Так, несколько лет тому назад М. А. Марков (204) предложил оригинальную модель максимонов. Основываясь на идеях общей теории относительности, он показал, что макро- и микромир могут тесно смыкаться друг с другом. Формальным основанием для введения новых гипотетических элементов послужило то обстоятельство, что из важнейших мировых констант современной физической теории можно составить две комбинации с размерностью массы. Одна из этих величин имеет численное значение в одну миллионную часть грамма, а другая - в десять раз большее. Вводимые таким путем максимоны в 10¹⁹ раз превышают по массе реальные адроны (сильно взаимодействующие частицы). Максимоны столь тяжелы для своих пространственных размеров, что "ни в каком сосуде на поверхности Земли эти частицы нельзя обнаружить. Они под действием сил тяжести проваливаются к центру планеты... Так как для рождения максимонов необходима энергия 10²⁸ эВ, то возможности рождения максимонов даже на ускорителях отдаленного будущего исключены" (53.1966.51, 878).

Анализ существующих моделей показывает некоторое различие в подходе их авторов к проблеме систематизации микрообъектов. Одни исходят из определенных свойств элементарных частиц и полей и пытаются разрешить проблему структуры микрообъектов путем введения новых свойств симметрии пространства - времени, другие, наоборот, сохраняют известные свойства пространства и времени, но для объяснения структуры микрочастиц вводят новые характеристики свойств материальных микрообъектов и полей. Такое различие в подходах к решению одной и той же проблемы вполне оправдано.