Страница 125 из 131
На фоне всех этих развитых теорий, имеющих широкий круг экспериментальных подтверждений, существует явление, которое, по-видимому, должно объясняться особым типом сверхслабого взаимодействия. Речь идет о необычном распаде так называемого долгоживущего нейтрального K-мезона на пару ?-мезонов (KL0 ( ?+?- или KL0 ( ?0?0). Это явление обнаруженное в 1964 году, связано с нарушением СР-инвариантности, которая, как казалось ранее, должна выполняться во всех моделях*. Регистрируемый эффект находится на уровне не более одной тысячной от обычных эффектов слабых взаимодействий, откуда и берется название гипотетических новых сил. Пока исследованы они очень ограниченно, экспериментально не обнаружено ни одного случая их проявления в процессах, отличных от KL0-распадов. Однако и этого достаточно, чтобы оценить исключительную важность открытия. Из-за нарушения СР-четности KL0 с несколько большей вероятностью распадается с вылетом позитрона (KL0 ( e+?e? -, чем электрона (KL0 ( e-?e?+), и такая же ситуация имеет место в распадах с вылетом ?+-. Это фиксирует абсолютную разницу между частицами и античастицами - античастицы уже не выступают зеркальными двойниками частиц. Возможно, проблема сверхслабых взаимодействий тесно связана с загадкой зарядовой асимметрии наблюдаемого участка Вселенной, где вещество резко преобладает над антивеществом.
* С - это операция перехода к зарядам противоположного знака, Р операция зеркального отражения, Т - операция обращения хода времени. Согласно так называемой СРТ-теореме, всякая нормальная теория поля должна оставлять неизменными наблюдаемые величины при одновременном применении всех трех операций. Однако долгое время думали, что эти операции сохраняют наблюдаемые неизменными (инвариантными) и по отдельности. Потом выяснилось, что в слабых взаимодействиях Р-четность не сохраняется, но оставалась надежда на соблюдение СР-четности (комбинированной С- и Р-операций). Теперь идеи такого рода принадлежат истории науки.
В физике частиц и их взаимодействий очень важную роль играет вакуум элементарных частиц (или физический вакуум, по-латыни vacuum - пустота). Это особое состояние материи, в котором отсутствуют реальные частицы и энергия минимальна. Однако с точки зрения квантовой теории, в вакууме непрерывно рождаются и очень быстро гибнут виртуальные частицы - в соответствии с соотношениями неопределенностей. В этом смысле физический вакуум обладает сложной структурой и оказывает наблюдаемое влияние на процессы взаимодействия реальных элементарных частиц. Внешние поля (в частности, гравитационное) могут сообщить вакууму достаточную энергию, и в результате начнется процесс рождения реальных частиц, например, электрон-позитронных пар. Такого типа процессы должны играть особенно большую роль на ранних космологических стадиях и в окрестностях черных дыр.
3. НАДЕЖДЫ
Есть круг проблем, к решению которых физика элементарных частиц подошла вплотную, и ожидаемые результаты должны по-новому осветить принципиальные моменты современной картины строения и эволюции Вселенной.
Многие надежды связываются с недавними достижениями в нейтринных исследованиях. Окончательное подтверждение ненулевой массы покоя электронного нейтрино и измерение масс его ?- и ?-аналогов скорее всего приведет к тому, что Вселенная станет для нас преимущественно нейтринным объектом - самые трудноуловимые частицы дадут основной вклад в среднюю плотность материи, а следовательно, и в распределении гравитационных полей в самых больших масштабах. Массивные нейтрино уже сейчас решительно вмешиваются в модели формирования крупных структур - галактик и галактических скоплений*.
*Видимо, массивные нейтрино играют важнейшую роль в весьма экзотической современной модели ячеисто-сетчатого строения Вселенной. Согласно этой модели, первичные возмущения однородного фона приводят к развитию единообразных распределений, которые, сливаясь и пересекаясь, образуют гигантские ячейки с относительно тонкими стенками, в которых и образуются галактики. Во внутренних темных областях ячеек (по-видимому, в неплохом соответствии с наблюдательными данными) плотность вещества значительно ниже средней, а химический состав практически не отличается от первичной водородно-гелиевой смеси, и процесс звездообразования вообще не идет или очень сильно подавлен.
Массивные реликтовые нейтрино с очень малыми скоростями (v ~ 300 м/с) и большой дебройлевской длиной волны (??~ h/m?c ~10-2 см) должны оказывать заметное силовое воздействие на пористые тела с размером пор ~ ??. Этот так называемый нейтринный ветер может оказаться крайне серьезным фактором в картине движения космической пыли и более крупных тел.
Многого можно ожидать и от исследования сверхгорячих нейтрино. При современных энергиях нейтринных пучков сечение их взаимодействия с нуклонами линейно растет с энергией (до 250 ГэВ). В соответствии с теорией электрослабого взаимодействия, этот рост должен заметно замедлиться в районе E? ~ 3000 ГэВ.
На той или иной стадии реализации находятся и другие проекты, работы на ускорителях, которые позволят экспериментально в деталях проверить электрослабую теорию, и поискать новые экзотические частицы, лежащие в рамках ее предсказаний (так называемые хиггсовские бозоны) и не связанные с ней (например, новые резонансы, соответствующие tt-кварковой паре, подобно тому, как cc соответствует J/? -мезону, а bb - ?-мезону).
Разумеется, при всей своей важности поиск новых частиц не составляет единственной цели. Очень большие надежды возлагаются на прояснение картины сильных взаимодействий. Разгоняя протоны, мы фактически разгоняем кварковые пучки (но, конечно, на каждый кварк приходится лишь какая-то доля энергии, скажем, 1/3 или того меньше). Можно полагать, что характер межкварковых взаимодействий с ростом энергии станет понятней. Важная задача - выявить закономерности синтеза адронов из горячего кварк-глюонного вещества, образующегося в области взаимодействия.
Астрофизические и космологические последствия установления этой картины трудно переоценить. Одна только возможность открытия - пусть крайне гипотетичная - каких-то неадронных форм относительно стабильной организации кварк-глюонного вещества способна воодушевить на самые смелые экспериментальные проекты.
Но в программах работ стоят и стратегические задачи дальнего прицела. В настоящее время многие физики верят в вариант так называемого Великого Объединения - теорию, которая описала бы кварки, лептоны и промежуточные бозонные поля единой схемой некоторого электроядерного взаимодействия. Было бы приятно выяснить, что на расстояниях ~ 10-29 см лептоны и кварки ведут себя как одно семейство. Неплохие модели такого объединения уже заготовлены, но масштаб его соответствует фантастически высоким энергиям 1014 - 1015 ГэВ (~10-5 ? 10-4 ЕР!). Именно такого порядка массы предсказывают модели великого объединения для промежуточных Х-бозонов, за счет которых кварки могут трансформироваться в лептоны и наоборот.
Реально процесс кварк-лептонных переходов ведет к предсказанию таких интереснейших явлений, как нестабильность протона. Например, протон может самопроизвольно распадаться на ?0-мезон и позитрон (р ( ?0 + е+). Происходит это потому, что d-кварк и один из u-кварков протона, обмениваясь Х-бозоном с зарядом + 4/3, преобразуются в анти-u-кварк и позитрон. Оставшийся u-кварк и получившийся и объединяются в ?0-мезон, а позитрон свободно покидает область взаимодействия.
Вся совокупность наблюдений указывает на высокую стабильность протона - его среднее время жизни не меньше 1032 лет, иначе окружающий мир выглядел бы совсем по-иному. Поэтому вероятность процессов распада должна быть крайне мала, и, по сути, из-за этого и приходится выбирать столь огромную массу Х-бозона. Строительство ускорителя для прямой генерации таких суперчастиц - дело далекого будущего, но распад протона ищут уже сейчас. Если его среднее время жизни действительно не превышает 1031 или 1032 лет, то в объеме вещества, заключающем, скажем, 1033 протонов (порядка 1000 тонн), должно происходить в среднем 100 или 10 распадов в год, соответственно. Хотелось бы верить, что к моменту выхода этой книги распад протона станет экспериментально установленным фактом, и мы получим сильнейшее указание на то, что при энергиях частиц ~ 1015 ГэВ (на расстояниях ~ 10-29 см) электрослабые и цветные межкварковые взаимодействия сливаются в единую электроядерную силу.