Гипермаркет знаний>>Естествознание>>Естествознание 11 класс>> Основные положения концепции электрослабых взаимодействий

                                       3.4. Основные положения концепции  электрослабых взаимодействий

Нуклеарно-планетарная  модель  атома  Резерфорда  поставила  перед классическим естествознанием две проблемы. Первая из них - проблема стабильности  электронной оболочки - нами уже обсуждалась. Второй  является проблема стабильности атомного ядра. Почему столь малое по размерам ядро не  разрывается  электростатическим  отталкиванием  положительно  заряженных протонов? И почему некоторые  ядра  все же распадаются? Чтобы ответить на эти вопросы потребовалось немало времени. Только к середине нынешнего  столетия  удалось  разработать  теории  новых  двух  взаимодействий, которых не знало классическое естествознание. Речь идет о теории сильных и слабых взаимодействий элементарных частиц.
 
Термин «сильные» относится к взаимодействиям, передаваемым на короткие  расстояния (в  пределах  ядра). Слабые  взаимодействия  ответственны за нестабильность нейтрона и его превращение в протон. Эти взаимодействия происходят на ещё более коротких расстояниях - в пределах нуклона, и происходят с участием антинейтрино.
 
По  теории  слабых  взаимодействий  нейтрон  распадается  на  протон, электрон (-частицу) и антинейтрино по реакции

                                                    n =>  p + + v*.                                         (3.5)

Для  пояснения  происхождения  терминов  полезно  сравнить  интенсивности взаимодействий, например двух протонов, находящихся на расстоянии порядка  размера  ядер.  Примем  за  единицу  интенсивности  взаимодействия кулоновское  отталкивание.  Тогда  относительные  величины  других  взаимодействий будут выражены следующими соотношениями.
 
Взаимодействие       Относительная                   Область    
                                      интенсивность                   действия
   
1. Электрическое                          1                               не ограничена
2. Сильное                                    100                           10^-15м
3. Слабое                                      0,001                        10^-17м
4. Гравитационное                      10^-37                            не ограничена
 
К  началу 60-х  гг.  нашего  века  теория  сильных  взаимодействий  была хорошо разработана и описывала многие  свойства  ядер и  ядерных реакций. Считалось,  что  нуклоны  являются  источниками  пионного  поля (поля Юкавы). Все известные к тому времени и вновь открываемые элементарные частицы  стали классифицировать на  адроны и лептоны. Первые способны участвовать в  сильных взаимодействиях,  тогда как вторая  группа частиц участвует только в слабых взаимодействиях. Что же двигало физиками - теоретиками, когда они пытались создавать концепции объединенных взаимодействий?

Как любят говорить философы, в человеческой практике Мир предстает  как многообразие форм  и  процессов  движения материи. Наше  сознание, интуитивное  и  рациональное,  ищет  и  находит  закономерности  в  процессах движения, устанавливает определенное  единство  за фасадом   разнообразия структур и форм. Каждое открытие нового многообразия стимулирует поиски нового внутреннего единства и порождает гипотезы, теории и концепции нового  объединения.  Первой  концепцией  объединения  можно  считать  теорию  гравитации Ньютона. По Ньютону – «Тяготеют -  все!». Наличие динамической массы у фотонов приводит к их притяжению (в принципе).
 
Второй  объединительной  теорией  стала  электродинамика Максвелла. Она  объединила  ранее  рассматривавшиеся  раздельно  поле  электрическое  и поле магнитное. Объединительной концепцией в биологии была классификация К.Линнея.  Л.Пастер открыл многообразие микроорганизмов- микробов.  Д.И. Менделеев объединил в стройную систему многообразие химических  элементов. Так  что поиск  общих начал,  как  выражение интегративной тенденции, был всегда характерен для естествознания, включая и физику. С поиска первоэлементарных частиц - кварков и попыток создания теорий объединения  электромагнитных  и  слабых  взаимодействий  условно  начинается период постнеклассического (современного) естествознания.

В течение 1962 - 1968 гг. Ш. Глэшоу, С. Вайнберг и А. Салам, независимо  друг  от  друга,  опубликовали  первые  варианты  теорий  электрослабых взаимодействий (в 1979 г. они получили Нобелевскую премию по физике за эти  работы).  К  настоящему  времени  теория  прошла  определенный  период  «увязки»  спорных  моментов  и  её  основные  положения  можно  представить следующим образом.

1. В области  энергии частиц  mс² > 100 000 МэВ существуют четыре векторных   динамических  поля  и  одно  скалярное,  более  фундаментальное, чем электромагнитное и слабое. Разделение на векторные и скалярное связано с наличием спина у квантов первых полей и с его равенством нолю у частиц второго поля.

2.  Возбужденным  состояниям  полей  соответствуют  свои  частицы волны. Векторным полям соответствуют безмассовые частицы (их масса покоя равна нулю). Этим они похожи на фотоны и глюоны. Отличаются от них тем, что имеют электрический заряд. Если глюоны можно назвать окрашенными фотонами, то кванты  векторных полей следует назвать заряженными фотонами. Скалярному полю соответствуют очень массивные частицы-волны, получившие имя бозонов Хиггса.  

3. Скалярные бозоны взаимодействуют с безмассовыми частицами и, в результате суперпозиции полей, происходит следующее. Стационарными состояниями  становятся  три  частицы:  векторные  бозоны  и  одна  частица  безмассовая - тот самый «обычный» фотон.  

Теория предсказывала величину масс  новых частиц: примерно 80 ГэВ для W⁺  и  W^- бозонов и около 90 ГэВ для Z⁰ бозона. Электрические взаимодействия характерны для электронов (или -частиц), а нейтрино всегда присутствует  в  слабых взаимодействиях. Теория  дала  их  связь  между  собой, предсказывалось превращение электрона в электронное нейтрино при испускании векторного бозона по реакции


 
Согласно  объединенной  теории,  реакция  распада  нейтрона  должна быть записана несколько иначе, чем мы привели выше. Диаграммы Фейнмана  для  неё  и  для  реакции  рассеяния  нейтрино  на  электроне  выглядят  следующим образом:
 

 
При рассеянии нейтрино испускает нейтральный Z⁰  бозон, электрон его поглощает, что меняет направления импульсов частиц.

В 1983 г. на встречных пучках Европейского центра ядерных исследований существование векторного бозона с массой 81 ГэВ было установлено экспериментально.  Позднее  была  определена  и  масса  нейтрального  бозона  m₀c²(Z⁰) = 91,3 МэВ.

Следует заметить, что это самая массивная из открытых элементарных частиц,  ее масса  сравнима  с массой  атома  серебра! Прекрасное  совпадение теоретических  значений  предсказываемых  масс  покоя  и  экспериментально определенных послужило определяющим доводом в пользу полного признания  теории  объединенных  электрослабых  взаимодействий.  Распад  объединенного взаимодействия на более простые, при энергиях ниже 100 ГэВ (округленно),  иногда  называют  пороговым  понижением  симметрии фундаментальных взаимодействий.



Подтверждение  реальности  существования векторных бозонов (их ещё называют промежуточными бозонами) стимулировало  теоретический  анализ  их возможной  роли  во взаимодействиях сильных.  Для  сильных  взаимодействий  современная  физика  не  отрицает  теорию - мезонного поля, как СТО Эйнштейна не отрицает механику Ньютона.

Но  на  более  глубоком,  более фундаментальном  уровне мы  знаем,  что -мезоны  состоят  из  кварков  и  антикварков.  Например,  в  пи-плюс-мезоне нижний антикварк имеет заряд, равный плюс одной трети от абсолютны заряда электрона. В итоге заряд системы равен плюс единице.
 
Поэтому  взаимодействие  промежуточных  бозонов именно с кварками, а не с мезонным полем.  

Современная теория сильных взаимодействий показывает, что имеется определенная аналогия в процессах взаимодействия промежуточных бозонов с лептонами и с кварками. Некоторые из них можно представить с помощью похожих  диаграмм  реакций. Например,  электрон  и  нейтрино могут  превращаться друг в друга с испусканием вектоохранения электрического заряда.

Точно так же верхний и нижний кварки могут виртуально переходить друг в друга. Для них диаграмма Фейнмана оказывается аналогичной, что позволяет использовать в расчетах аналогичный математический аппарат.

В последнем случае непривычно выглядит баланс электрических зарядов, так как заряды кварков дробные.

На основании аналогии этих и многих других, более сложных, взаимодействий  возникла  идея  о  дальнейшем  объединении,  получившая  образное название Великого объединения. Предварительные  теоретические проработки, выполненные за последние годы, показали, что последующие шаги объединения электрослабых и сильных взаимодействий в объединенное возможны  только при  достижении  энергии порядка 10 ¹⁵ГэВ. Возможности  современных ускорителей на встречных электрон-позитронных пучках в ближайшей  перспнктиве не превысят 280 ГэВ. Как видим, вопрос об эксперементальной проверке теоретических представлений пока не ставиттся.

Тем не менее следует привести схему границ, при достижении которых не исключено повышение симметрии фундаментальных взаимодействий.


 
Считается, что Великое объединение может описать квантовая  теория калибровочных полей, развивающая  современную кванто д  вариантов  теорий  предполагает  существование  ещё  одной,  нижней, ступени лестницы Вайскопфа, приведенной в конце гл. 1.

Для  таких  субкварковых  единиц материи  теоретики придумали целый ряд названий, таких, как стратоны, ришоны, преоны или галоны.  

Однако  вся  экспериментальная  база  современной  физики  микромира подтверждает  существование  лишь  трех  поколений  фундаментальных  частиц, таблица которых уже приводилась выше. Последняя проверка этого положения  была  проведена  сравнительно недавно. Были  проанализированы  резонансные  кривые,  предсказываемые  для Z -  частицы  по  различным  вариантам теории.  При  этом  были  обработаны данные более десяти тысяч событий образования  Z-бозонов,  наблюдавшихся  в CERN. При  увеличении  энергии  соударяющихся электрона и позитрона меняется выход Z - частиц так, что амплитуда распределения и ширина пика на полувысоте  зависят  от  числа  поколений фундаментальных  составляющих  вещества. По  ому  распределению,  на  котрое “укладываются”  экспериментальные точки,  ожно судить о числе поколений.



Оказалось, что все эксперементальные результаты согласуются  с  предположением  о  существовании  трех поколений фундаментальных частиц вещества.  

Кроме  того,  согласно  предсказаниям  теории  Великого  объединения, протон не является стабильной частицей и может распадаться на позитрон и нейтральный пион либо на положительный пион и нейтрино. Время распада по первоначальному варианту составляло 10³⁰ лет. Попытки обнаружить распад протона не увенчались успехом, так что время стабильности протона по крайней мере больше 10³² лет.  Таким образом, ясно, что теория пока ещё далека от завершения. Если распад обнаружат, - это будет свидетельством верности  идеи  Великого  объединения.  Электрос собой попытки построения теории на базе устоявшихся представлений и методов квантовой теории поля.
 
Задача  Суперобъединения,  или  Супергравитации  потребовала  более радикальных представлений о пространстве-времени и его взаимоотношении с веществом. Гипотезы суперобъединения используют довольно необычные идеи. В качестве примера приведем две из них.

                                                                    Идея расслоенных пространств

Считают, что каждой точке обычного пространства можно “приклеить” целый слой пространств с произвольным числом измерений. Более того, допускается даже дробная размерность, между четырьмя и тремя измерениями например. Геометрические (топологические) свойства таких пространств отвечают («диктуют веществу») за тот спектр масс, зарядов, спинов, которые наблюдаются для элементарных частиц в настоящее время. Скорее всего, для описания  наблюдаемых  значений  потребуется  континиум  с  размерностью, равной  десяти.  Такая  размерность  реализуется  только  на  предельно малых расстояниях,  порядка  длины  Планка,  то  есть  около 10^-34  м.  При  больших масштабах многомерность оказывается скрытой и проявляется только основная  размерность,  равная  четырем.  Чтобы  пояснить  возможность  компактификации (от понятия компактный) части измерений, можно привести пример тора (бублика). Ось тора  замыкается сама на себя, от любой точки на ней в обе  стороны можно откладывать любые по  величине расстояния. В перпендикулярном направлении  вокруг любой осевой  точки  тоже можно откладывать угловые  координаты. В то же время с большого расстояния тор выглядит обычной  точкой  трехмерного пространства. Чтобы прозондировать расстояния, сравнимые с планковской длиной, необходимы энергии частиц, которые вряд ли когда-нибудь будут достигнуты на земле. И надежды физиков обращены  к  космосу,  в  глубинах  которого  имеются  источники  гигантского энерговыделения, например сталкивающиеся галактики. Из этих областей на землю приходят космические лучи с огромной энергией. По шутке одного из физиков, "Космические лучи  - это ускоритель для бедных..."

                                                                   Идея микрочастиц - струн

Она связана с одной из особенностей  энергии взаимодействия, с её обратно  пропорциональной  зависимостью  от  расстояния.  Когда  расстояние стремится к нулю, величина энергии стремится к бесконечности, что приводит к потере физического смысла. Если же рассматривать некоторый линейный, а не точечный объект, то энергия взаимодействия стремится к большой, но  конечной  предельной  величине.  Таким  путем расходимость  энергии  на малых дистанциях устраняется.  

Этой же  цели  служит  и «ход  конем»  с  использованием  дробных  размерностей  пространства.  Оказывается,  что  в  таких  пространствах  можно «обойти» бесконечно большие значения энергии и получить конечное значение, характерное для размерности 4,5. Затем повторить расчеты для значений размерености пространства 4,3 и 4,1. Полученные значения обозначат тенденцию изменения, в зависимости от размерности, и позволят экстраполировать величину энергии на целочисленную размерность 4,0.

Подводя итоги, отметим, что развитие  знаний и представлений об окружающем мире шло и идет от открытия одного класса многообразий структурных объектов к другому, более сложному для восприятия на данном историческом этапе. От атомов неразрезаемых - к атому в виде некоторой системы, структурными элементами которой являются электроны оболочки и центральное (неделимое)  ядро.  Затем  вскрывается  нуклонная  структура  ядра, структура самих нуклонов... И каждый раз человеческий разум ищет то внутреннее единство, которое позволяет охватить новое многообразие. Для эпохи Аристотеля  достаточно  было  четырех  первоэлементов,  для  времени  Д.И. Менделеева  многообразие  атомов  занимало  примерно 120  клеток  его таблицы. В середине 60х гг. нашего столетия число открытых элементарных частиц превысило 350. Современная таблица фундаментальных структурных элементов содержит три поколения элементарных частиц. Это в общем счете 12 кварков и антикварков, 8 глюонов, 6 лептонов с их античастицами, фото гравитоны. Некоторое время назад казалось, что достаточно будет трех кварков, чтобы построить все остальное. Но открываются новые составляющие и идея малого числа фундаментальных основ не подтверждается.
 
В последнее время в современном естествознании все больше вырисовывается  другой  подход. Он  основан  на  признании  принципа  обязательной вариативности структурных элементов для сложных природных систем, будь то система элементарных частиц или биоценоз.

Только  при  наличии  некоторого минимального,  но  разнообразного  набора можно построить функционально и структурно сложные системы.

Само  осознание принципа  допустимости и необходимости,  обязательности разнообразия элементов становится достоянием общей культуры человечества.

Кроме  того,  опыт  развития  естествознания  от  классического  к  современному показал, что изучение иерархии структурных уровней частиц вещества неизбежно приводит к более глубокому пониманию свойств пространства и времени. И к осознанию  того факта, что  геометрические свойства пространственно-временного континиума могут определять  численные значения фундаментальных констант нашего мира - гравитационной постоянной, заряда электрона, спектра масс-энергий элементарных частиц.

Концепции современного естествознания. Стародубцев В.А., 2-е изд., доп. — Томск.: Том. политех. ун-т, 2002. — 184 с.

Содержание урока
 конспект урока
 опорный каркас  
 презентация урока
 акселеративные методы 
 интерактивные технологии 

Практика
 задачи и упражнения 
 самопроверка
 практикумы, тренинги, кейсы, квесты
 домашние задания
 дискуссионные вопросы
 риторические вопросы от учеников

Иллюстрации
 аудио-, видеоклипы и мультимедиа 
 фотографии, картинки 
 графики, таблицы, схемы
 юмор, анекдоты, приколы, комиксы
 притчи, поговорки, кроссворды, цитаты

Дополнения
 рефераты
 статьи 
 фишки для любознательных 
 шпаргалки 
 учебники основные и дополнительные
 словарь терминов                          
 прочие 

Совершенствование учебников и уроков
 исправление ошибок в учебнике
 обновление фрагмента в учебнике 
 элементы новаторства на уроке 
 замена устаревших знаний новыми 

Только для учителей
 идеальные уроки 
 календарный план на год  
 методические рекомендации  
 программы
 обсуждения


Интегрированные уроки

Если у вас есть исправления или предложения к данному уроку, напишите нам.

Если вы хотите увидеть другие корректировки и пожелания к урокам, смотрите здесь - Образовательный форум.