Горохов А.В. "Физика атомного ядра. Физика элементарных частиц"
Содержание
Элементарные частицы. Великое объединение и ранняя Вселенная
В последней четверти XX века в физике высоких энергий произошла подлинная
революция, связанная с созданием и развитием единых калибровочных теорий
слабых, сильных и электромагнитных взаимодействий.
Одной из основных идей, на которых базируются эти теории, служит идея о
спонтанном нарушении симметрии между разными взаимодействиями за счет
возникновения во всем пространстве т.н. хиггсовских полей. Если такие
поля отсутствуют, то нет принципиальной разницы между фундаментальными
взаимодействиями. Спонтанное появление во всем пространстве постоянных
скалярных полей означает глубокую перестройку структуры вакуумного
состояния - (своего рода фазовый переход), в результате которой часть
переносчиков взаимодействия (аналогов
фотонов) приобретают большую массу и соответствующие взаимодействия становятся
короткодействующими. Это и приводит к нарушению симметрии между разными типами
взаимодействий в единых теориях. В результате соответствующих фазовых
преходов свойства элементарных частиц и законы, по которым они
взаимодействуют между собой, существенно меняются.
Характерные значения критической температуры (средней энергии частиц) и
плотности, при которых происходят соответствующие фазовые переходы,
чрезвычайно велики. Температура фазового перехода в теории Глэшоу - Вайнберга
- Салама в единой теории слабых и сильных взаимодействий имеет порядок 102
ГэВ ~ 1015 К. Температура, при которой восстанавливается симметрия
между сильными и электрослабыми взаимодействиями в теориях великого
объединения ~ 1028 K. Для сравнения отметим, что максимальная
температура, достигаемая при взрыве сверхновых звезд ~ 1011 K.
Поэтому, надежды на изучение этих процессов в современных лабораториях лишены
каких - либо оснований. Соответствующие экстремальные условия могли существовать
лишь на самых ранних стадиях эволюции Вселенной.
Поэтому физика высоких энергий смыкается с космологией.
Действительно, согласно стандартному варианту теории горячей Вселенной,
Вселенная должна была расширяться, постепенно остывая, из состояния, когда ее
температура могла достигать T ~ 1019 ГэВ.
На самых ранних стадиях эволюции Вселенной симметрия между сильными, слабыми
и электромагнитными процессами должна была быть восстановлена. При остывании
Вселенной должен был происходить ряд фазовых переходов,
в результате которых
симметрия между разными взаимодействиями нарушалась и Мир приобрел известные
нам теперь свойства.
Однако неверным было бы считать, что все развиваемые в последние годы
теории не имеют под собой экспериментальной почвы, а более точно -
не могут быть экспериментально проверены.
Так, прилагаются большие усилия по обнаружению распада протона,
предсказываемого разными вариантами объединенных теорий.
То, что экспериментально измеренное среднее время жизни протона оказалось
больше чем 1032 лет (для сравнения время жизни Вселенной ~ 1,2·1010 лет), вынуждает отвергнуть некоторые простейшие варианты
единых моделей.