Нужна помощь в написании работы?

ВЕЛИКОГО ОБЪЕДИНЕНИЯ МОДЕЛИ - теоретические модели, единым образом описывающие сильное, электромагнитное и слабое взаимодействия элементарных частиц. Согласно современным представлениям, эти три вида взаимодействий между частицами осуществляются за счёт испускания и поглощения ими частиц - переносчиков взаимодействия (т. н. промежуточных бозонов). Хорошо известным примером таких частиц являются кванты электромагнитного поля - фотоны, обмен которыми обеспечивает электромагнитное взаимодействие частиц, несущих электрические заряды. Закон взаимодействия электрических зарядов (закон Кулона) позволяет ввести абсолютную меру силы электрического взаимодействия - безразмерную константу aem, которую называют электромагнитной константой связи или константой электромагнитного взаимодействия. Для определения численного значения этой константы силу взаимодействия двух элементарных частиц, несущих единичный электрический заряд (напр., двух электронов или двух протонов), следует умножить на квадрат расстояния r2 между зарядами и разделить на $\hbar c$. Полученная величина $\alpha_{em} = e^{2}/\hbar c$не зависит от расстояния в пределе, когда расстояние велико по сравнению с комптоновской длиной волны электрона $\lambda_{e}=\hbar/m_{e}c \approx 4 \cdot 10^{-11}$см. Величина aem является безразмерной, т. е. не зависит от системы единиц, в к-рых выражены физ. величины, определяющие электромагнитное взаимодействие. Экспериментальные определения дали значение aem 1/137.

Аналогично электромагнитному взаимодействию, слабое взаимодействие также осуществляется промежуточными бозонами, но уже не одним, а тремя: W+, W- и Z0. Слабое взаимодействие тоже обусловлено существованием специфического заряда, силу взаимодействия таких зарядов можно охарактеризовать безразмерной константой aw, которая близка по величине к aem. Расстояния, на которых промежуточные бозоны могут осуществлять взаимодействие, обратно пропорциональны их массам. Т. к. силы электромагнитного взаимодействия F медленно спадают с расстоянием r, так что F . r2 стремится к const0 при r, то говорят, что радиус действия электромагнитных сил бесконечен. Это эквивалентно утверждению, что масса фотона равна нулю. В отличие от фотона промежуточные бозоны слабого взаимодействия довольно массивны, примерно в 100 раз массивней протона (в энергетических единицах их масса покоя 80-100 ГэВ). Этим объясняется малый радиус действия сил слабого взаимодействия, примерно равный комптоновской длине волны W-бозонов (~10-16 см), и малая вероятность обусловленных им процессов микромира. Однако в остальном свойства W+ - и Z0-бoзонов схожи со свойствами фотонов, так что на очень малых расстояниях (r < 10-16 см) или при больших энергиях (>100 ГэВ), когда частицы W+ и Z0 могут свободно рождаться, обмен W+ -и Z0-бозонами осуществляется столь же легко, как и обмен безмассовыми частицами. В этих условиях должна существовать полная симметрия между электромагным и слабым взаимодействиями. Эти взаимодействия, имеющие, по-существу, единую природу, называют часто электрослабыми взаимодействиями. Электрослабые взаимодействия характеризуются двумя независимыми константами a1 и a2, которые близки но порядку величины. Константы aem и aw можно линейно выразить через a1 и a2. Существование W - и Z0-бозонов доказано экспериментально (1983 г.). Причём их массы совпали со значениями, предсказанными теорией.

Согласно современной теории, сильные взаимодействия обусловлены обменом ещё одним типом промежуточных бозонов - глюонами. Глюоны, как и кварки, которые обмениваются глюонами, обладают т. н. цветовыми зарядами. Существует три типа цветовых зарядов и восемь видов глюонов. Силу цветового взаимодействия характеризуют константой aс, она приблизительно на порядок величины превышает aem.

Из квантовой электродинамики известно, что aem не является постоянной величиной, а меняется при изменении расстояния между взаимодействующими частицами. Дело в том, что каждая частица (электрон, протон и др.) является "одетой" - окружённой облаком (или "шубой") т. н. виртуальных частиц, которые на короткое время рождаются из вакуума и поглощаются вновь. Электрон, напр., окружён виртуальными электрон - позитронными парами и взаимодействует с ними: отталкивает виртуальные электроны и притягивает виртуальные позитроны. В результате вокруг электрона находятся преимущественно положительные заряды, которые частично экранируют заряд электрона. По мере проникновения в глубь облака положительно заряженных виртуальных частиц их экранирующее действие должно уменьшаться, а эффективный заряд электрона расти. Следовательно, величина aem зависит от расстояния. Экранирующее действие виртуальных зарядов перестает действовать при r > le, поэтому при r >> le величина aem приобретает постоянное значение 1/137. При r < le значение a на расстоянии r2 связано со значением на расстоянии r1 выражением

$\alpha (r_2) = \frac{\alpha (r_1)}{1+b\alpha(r_1)ln(r_2^2/r_1^2)}(1)$

Зависимость a(r) имеет медленный, логарифмический характер. Обычно функцию a(r) изучают в зависимости не от r, а от энергии взаимодействующих частиц e: чем выше e, тем меньше расстояния, на которые частицы могут сближаться (r ~ 1/e). Значение и знак постоянной b в формуле (1) зависят от характера взаимодействия. Знак b может быть как положительным, что отвечает увеличению заряда с уменьшением расстояния (экранировка), так и отрицательным, что отвечает уменьшению заряда при уменьшении расстояния (антиэкранировка). Второй случай возможен тогда, когда сами переносчики взаимодействия (аналоги фотонов) являются заряженными и взаимодействуют друг с другом. Как раз такой случай рассматривает теория сильного взаимодействия (глюоны несут цветовой заряд), поэтому цветовой заряд и ac убывают с ростом энергии (с уменьшением расстояния между частицами). Что касается констант электрослабого взаимодействия, то одна из них также уменьшается с энергией, а другая, напротив, растёт. Удивителен факт, что все три константы (a1, a2, ac) становятся равными друг другу при одной н той же энергии. Эта энергия наз. энергией объединения. По масштабам микромира она чрезвычайно велика (eоб ~1014-1015 ГэВ). При e > eоб (или на расстояниях $r \lesssim 10^{-29}$см) сильные и электрослабые взаимодействия описываются единой константой, т. е. имеют общую природу. Модели, единым образом описывающие все фундаментальные взаимодействия, наз. моделями великого объединения. Существуют также теоретические схемы, в рамках которых объединяются все известные типы взаимодействий, т. е. к электромагнитные, слабому п сильному взаимодействиям добавляется ещё гравитация. Их называют схемами супергравитации.

В. о. м. имеют дело с энергией частиц ~1014 ГэВ и выше. Едва ли можно надеяться, что когда-нибудь в эксперименте удастся получить частицы столь высоких энергий. Тем не менее сам принцип единого объяснения всех трёх типов взаимодействии несомненно важен для познания окружающего нас мира. Более того, В. о. м. позволяют теоретически обосновать ряд важнейших экспериментальных фактов (напр., квантование электрического заряда) и предсказать возможность физ. процессов (в частности, возможность распада протона), существенно влияющих на свойствава Вселенной.

Одно из важных следствии В. о. м.- несохранение барионного числа (барионного заряда, см. Заряд, Барионная асимметрия Вселенной). Дело в том, что при $\varepsilon \gtrsim10^{14}-10^{15}$ГэВ кварки, обладающие барионным зарядом, и лептоны (электрон, мюонн др.), таковым зарядом не обладающие, фактически не отличимы друг от друга. В едином описании взаимодействий неизбежно приходится рассматривать превращения одних частиц в другие, при которых меняются квантовые числа частиц (цвет, аромат) и лептоны превращаются в кварки и антикварки. Такие превращения связывают с существованием сверхтяжёлых промежуточных бозонов X н Y, обмен которыми должен приводить к переходам кварков в лептоны или кварков в антикваркн, т. е. к процессам несохранения барионного (а также и лептонного) числа. К такого рода процессам относится, в частности, распад протона по каналам рp0 + е+е+ + 2g и рp+ + n. Из В. о. м. следует, что вероятность протонного распада определяется фактором (mp/mX] 10-60, т. е. вероятность рождения Х- или Y-бозона в "недрах" протона чрезвычайно мала. Экспериментальное обнаружение распада протона могло бы стать веским доводом в пользу В. о. м. и существования X- и Y- бозонов. Пока эксперименты лишь показали, что время жизни протона tp>1031 лет, а это значит, что массы Х- и Y-бозонов очень велики (на много порядков больше массы W+ - и Z0-бозонов) и процессы с их участием обладают крайне малой вероятностью. Если это действительно так, то единственным современным аргументом в пользу предсказываемого В. о. м. несохранении барионного заряда является наблюдаемая барионная асимметрия Вселенной.

Внимание!
Если вам нужна помощь в написании работы, то рекомендуем обратиться к профессионалам. Более 70 000 авторов готовы помочь вам прямо сейчас. Бесплатные корректировки и доработки. Узнайте стоимость своей работы.

Ряд В. о. м. предсказывает осцилляции (переходы) нейтрон-антинейтрон, а также наличие у нейтрино v массы покоя и существование нейтринных осцилляции (т. е. пернодичнось превращений одного вида нейтрино в другой, напр. $\nu_{e} \leftrightarrows \tilde \nu_{e}, \nu_{e}\leftrightarrows \nu_{\mu}$). Однако в целом космология оказывается чуть ли не основной областью применения и проверки В. о. м. Так, без В. о. м. невозможно описать раннюю стадию эволюции Вселенной, когда температуpa первичной плазмы превосходила 1027 К и могли рождаться и аннигилировать сверхтяжёлые бозоны (X и Y). Ряд выводов В. о. м. можно проверить, сопоставляя теоретические предсказания с современными астрономическими данными, например, с современным отношением концентраций барионов и реликтовых фотонов во Вселенной.

Из В. о. м. вытекает возможность специфических фазовых переходов в первичной плазме при её охлаждении. Эти переходы похожи на фазовые переходы 1-го и 2-го рода: на кристаллизацию и появление спонтанной намагниченности у ферромагнетика при его охлаждении ниже точки Кюри. В результате таких переходов могли появиться особые, не наблюдавшиеся до сих нор объекты Вселенной с колоссальной плотностью энергии. Напр., если существует более одного состояния материи с минимальной энергией (т. е. вакуумного состояния), то при охлаждении первичной плазмы могла возникнуть т. н. доменная структура вакуума, когда области с различными состояниями вакуума отделены друг от друга доменными стенками - относительно тонкими образованиями с очень большой плотностью энергии. Если вакуумные состояния могут переходить друг в друга непрерывно (без скачков от домена к домену), то в таком варианте теория предсказывает существование во Вселенной длинных тонких объектов - "струн" также с большой плотностью энергии. Данные астрономических наблюдений (обнаружение доменных стенок или "струн" или отсутствие этих образований во Вселенной) могли бы подтвердить развиваемые модели или наложить на них существенные ограничения.

Во Вселенной не обязательно должны быть доменные стенки и "струны", но, по-видимому, неизбежным следствием всех вариантов В. о. м. оказывается существование частицы, обладающей элементарным магнитным зарядом (её наз. магнитным монополем). Возможное существование в природе магнитных монополей представляет значит. трудности для В. о. м., т. к. предсказываемая теорией концентрация монополей выходит далеко за рамкой ограничений, накладываемых наблюдениями. В некоторых вариантах В. о. м. возможны фазовые переходы 1-го рода, когда Вселенная переходит в энергетически более выгодные состояния с сильной задержкой во времени (известный аналог - переохлаждённая жидкость). При такой задержке Вселенная может находиться в метастабильном состоянии, когда вакуум имеет ненулевую плотность энергии н эта величина определяет характер расширения мира. Затем в конце концов происходит фазовый переход в вакуумное состояние с нулевой энергией, а освобождённая энергия переходит в энергию рождённых при фазовом переходе элементарных частиц. В таком сценарии эволюции Вселенной в принципе могут быть решены известная космологическая проблема близости ср. плотности вещества во Вселенной к критической, проблемы горизонта Вселенной, изотропии и однородности Вселенной. Кроме того, предсказывается концентрация реликтовых магнитных монополей, не противоречащая ограничению, накладываемому наблюдениями. Такую космологическую модель наз. моделью раздувающейся Вселенной или моделью инфляционной Вселенной. Все же пока ни один из вариантов инфляционной модели не оказался вполне удовлетворительным. Возможно, имеющиеся трудности удастся преодолеть, если будет найдена истинная модель великого объединения.

 

Получить выполненную работу или консультацию специалиста по вашему учебному проекту
Узнать стоимость
Поделись с друзьями