Гипотеза W-бозона

Промежуточные бозоны , , 1983 г.

Слабые распады

Слабые распады можно разделить на три типа:

1. лептонные
   
2. полулептонные
   
3. безлептонные
   

Слабый изоспин

Нейтральные слабые токи.

По аналогии с изоспином, введенным в случае сильных взаимодействий, объединим в единый слыбый мультиплет фермионные дублеты - частицы, рождаемые W-бозоном. Слабое взаимодействие включает фермион-антифермионные пары. Из инвариантности слабого взаимодействия относительно вращений в слабом изоспиновом пространстве наряду с полями переносчиками и бозонами необходимо ввести третье поле с нулевым електрическим зарядом. Реакции, идущие в результате обмена бозоном, называят слабыми процессами с сохранением заряда или нейтральными слабыми токами. Из состояний и можно построить 2 суперпозиции , соответствующие фотону и -бозону. -бозон был открыт в 1983 г.

Экранировка электрического и цветового зарядов в квантовой теории поля

Электрон окружен облаком зарядов, которое поляризовано так, что положительные заряды расположены ближе к электрону, а отрицательные дальше, что создает экранировку электрического заряда электрона. Измеренный заряд зависит от расстояния, на котором проводится измерение. В случае цветового заряда ситуация более сложная. Наряду с аналогичным процессом экранировки цветового заряда, необходимо учесть процессы, обусловленные глюонами. Глюоны также являются источниками цветового поля. Поэтому результат оказывается прямо противоположным - красный кварк оказывается окруженным преимущественно другими красными зарядами. При приближении к красному заряду пробной частицы она проникает внутрть облака красного заряда и, следовательно, измеренная величина красного заряда уменьшается, то есть при уменьшении расстояния между кварками их сила взаимодействия уменьшается и они ведут себя как свободные, невзаимодействующие частицы.

Идея великого объединения

Изменение констант слабого, электромагнитного и сильного взаимодействий лежит в основе идеи великого объединеения различных взаимодействий.

В объединенной теории электронмагнитных и слабых взаимодействий вводится параметр , где e - элементарный электрический заряд, - слабый заряд, - слабый угол (угол Вайнберга). Эксперимент дает

Из сравнения интенсивностей сильного, электромагнитного, слабого и гравитационного взаимодействий при энергии можно получить следующие значения констант взаимодействия . Для полей с безмассовимы бозонами - переносчиками взаимодействий - константы определены как , где - заряды соответствующих взаимодействий. Для слабого поля, квантами которого являются промежуточные массивные бозоны , константа определяется из соотошения

,

где и - массы промежуточного бозона и протона.

В ТВО сильное, слабое и электромагнитное взаимодействия описываются на основе единой калибровочной теории со спонтанно нарушенной симметрией. В ТВО, основанной на группе SU(3), помимо кварков и лептонов предсказывается 24 калибровочных бозона: векторные бозоны , фотон , 8 глюонов, а также 12 гипотетических сверхтяжелых X - и Y - бозонов (и их античастиц) с массой . Последние, подобно кваркам, имеют три цвета. Их электрические заряды (4/3)e и (1/3)e соответственно. В результате обмена X- и Y-бозонами могут происходить процессы

и .

При энергии, равной , где G - гравитационная постоянная Ньютона, гравитационная константа сравнивается с константами других взаимодействий и при энергиях выше все взаимодействия объединяются в единое взаимодействие. Величина носит название массы Планка. При энергиях имеет место Великое Объединение (объединение сильного и электрослабого взаимодействий). В этой области энергий все частицы ТВО (24 фермиона и 24 векторных бозона, включая X и Y) безмассовы. При снижении энергии до происходит так называемое спонтанное нарушение симметрии. Сильное и электрослабое взаимодействия разделяются, а X- и Y-бозоны преобретают массы . При снижении энергии до 100 ГеВ происходит второе спонтанное нарушение симметрии. Электромагнитное и слабое взаимодействия разделяются, и -бозоны, кварки и лептоны приобретают массы. Условия для объединения взаимодействий могли существовать в самом начале образования Вселенной, сразу после Большого взрыва. Реликтами эпохи Большого взрыва являются микроволновое излучение, отвечающее температуре 2.7K, и, возможно, монополи Дирака - гипотетические магнитные заряды.

Электрослабое взаимодействие. Универсальность

Локальные и глобальные преобразования

Взаимодействие кварков

- кварки участвуют в электромагнитных взаимодействиях, излучая или поглощая -квант; при этом не изменяется ни цвет , ни тип (аромат) кварков:

- вершина элекромагнитного взаимодействия кварков.

- кварки участвуют в слабых взаимодействиях, излучая или поглощая или -бозоны; при этом может изменяться тип (аромат) кварка, цвет кварка остается без изменения:

- вершина слабого взаимодействия кварков.

- кварки участвуют в слабых взаимодействиях, излучая или поглощая глюон; при этом меняется цвет кварка, а его тип (аромат) остается неизменным:

- вершина сильного взаимодействия кварков.

Понятие суперсимметрии

При объединении всех взаимодействий, которое, как прдполагается происходит при 10¹⁹ ГеВ, бозоны и фермионы объединяются в один мультиплет. В теории предполагается, что к наблюдаемым частицам добавляются суперпартнеры, спины которых оличаются на +1/2 или -1/2. Например, к электрону добавляется суперпартнер со спином 0.

Гипотетические частицы, являющиеся суперпартнерами наблюдаемых частиц