Великое объединение

ВЕЛИКОЕ ОБЪЕДИНЕНИЕ, теоретические модели, объединяющие три фундаментальных взаимодействия (из четырёх известных) - сильное, слабое и электромагнитное - в единое взаимодействие, которое может происходить на сверхмалых расстояниях или при сверхвысоких температурах. (Кроме перечисленных выше, к фундаментальным относится также гравитационное взаимодействие.)

Все фундаментальные взаимодействия осуществляются путём обмена квантами соответствующего поля и характеризуются интенсивностью и радиусом действия. Сильное взаимодействие обеспечивает стабильность атомных ядер и имеет ра­диус действия r порядка 10-14 см, слабое взаимодействие ответственно за радио­активный распад и имеет радиус дейст­вия порядка 10-16 см, электромагнит­ное взаимодействие имеет бесконечный радиус действия, оно присуще всем час­тицам с электрическим зарядом. Интенсив­ности взаимодействий характеризуются безразмерными числами - константами взаимодействий (константами связи). Для трёх фундаментальных взаимодействий они равны: α1 ≈ 0,017, α2 ≈ 0,034 и α3 ≈0,118 (для электромагнитного, слабого и силь­ного взаимодействий соответственно).

Реклама

Любое взаимодействие характеризуется определённой симметрией уравнений, которая в математике называется специальной унитарной симметрией (группой) SU(n). В случае сильного взаимодействия - это группа SU(3), в случае слабого - SU(2), в случае электромагнитного - U(1). Эта симметрия не имеет отношения к пространственной структуре элементарных частиц, участвующих в фундаментальных взаимодействиях, и называется группой внутренней симметрии. Она полностью характеризует вид взаимодействия и набор участвующих в нём частиц. Таким образом, три известных фундаментальных взаимодействия описываются группой симметрии SU(3)хSU(2)хU(1). Соответствующая теория получила название стандартной модели фундаментальных взаимодействий. При этом слабое и электромагнитное взаимодействия смешиваются, так что постоянная тонкой структуры α ≈ 1/137, характеризующая интенсивность электромагнитного взаимодействия, оказывается комбинацией констант α1 и α2.

Великое объединениеСогласно теории Великого объединения, три фундаментальных взаимодействия, столь далёкие по своей природе и параметрам, являются тремя ветвями единого фундаментального взаимодействия, характеризующегося более широкой группой симметрии. Эта группа симметрии проявляется на малых расстояниях порядка 10-30 см или при высоких температурах порядка 1025 эВ (1029 К), которые существовали на ранних стадиях развития Вселенной. При увеличении расстояний или при понижении температуры симметрия спонтанно нарушается. При этом группа симметрии понижается и образуются три подгруппы, связанные с тремя фундаментальными взаимодействиями. Группа симметрии теории Великого объединения включает в себя группу симметрии стандартной модели в качестве составной. Известные теоретические модели Великого объединения основаны на группах симметрии SU(5), SU(6), SO(10), Е(6) и так далее.

Возможность объединения трёх взаимодействий, характеризуемых различными интенсивностями, в единое взаимодействие основывается на том факте, что константы взаимодействий не являются в действительности постоянными, а меняются с расстоянием. Это явление связано с поляризацей вакуума и аналогично поляризации среды внесённым в неё пробным зарядом. В результате заряд либо экранируется, либо антиэкранируется в зависимости от расстояния. Зависимость константы взаимодействия от расстояния подтверждена экспериментально. Оказывается, что в то время как константы сильного и слабого взаимодействий убывают с уменьшением расстояния, константа электромагнитного взаимодействия растёт, и возможно их объединение на некотором малом масштабе. Эта эволюция описывается так называемыми уравнениями ренормализационной группы и приближённо описывается одинаковой для всех моделей формулой:

1/αi(r) = 1/αi(r) + biln(r/r0), i=1,2,3,

где числа bi зависят от модели. Приведён­ные выше значения констант взаимодей­ствия относятся к масштабу r0= 10-16 см, соответствующему массе промежуточно­го Z-бозона. Модели Великого объединения исходят из экстраполяции уравнений от расстояний порядка 10-16 см (доступных современному экс­перименту) до значительно меньших рас­стояний порядка 10-30 (рисунок).

Высокоточные измерения констант взаимодействий на электрон-позитронном ускорителе LEP (ЦЕРН, Женева) позволили проверить гипотезу объединения взаимодействий в рамках стандартной модели и дали отрицательный результат. Однако, если существуют неизвестные нам новые тяжёлые частицы, это повлияет на величину констант bi и ситуация изменится. Так, например, популярная гипотеза о существовании новой симметрии элементарных частиц, так называемой суперсимметрии, или фермион-бозонной симметрии, предсказывает существование тяжёлых партнёров для каждой элементарной частицы. В этом случае объединение взаимодействий осуществимо, если новые частицы имеют массы порядка 1000 масс протона и взаимодействие происходит на расстояниях порядка 10-30 см.

Гипотеза Великого объединения исходит из того, что совпадение констант не случайно, а свидетельствует о том, что на малых расстояниях взаимодействия теряют индивидуальность и становятся частью единого взаимодействия с единственной константой связи αТВО. При этом обычные частицы - кварки и лептоны - также утрачивают различия и становятся возможными переходы между ними. Это приведёт, в частности, к распаду протонов, входящих в атомные ядра. При обычных энергиях вероятность этого процесса ничтожно мала, но в теориях Великого объединения можно оценить время жизни протона, которое оказывается порядка 1033-1034 лет. Наблюдение таких событий практически невозможно.

Объединение взаимодействий в рамках теории Великого объединения позволяет разрешить ряд проблем; например, объяснить, почему протон и электрон имеют одинаковый по величине и противоположный по знаку электрический заряд, почему имеется одинаковое число кварков и лептонов, почему на больших масштабах существует три вида взаимодействий.

Лит.: Ченг Т., Ли Л. Калибровочные теории в физике элементарных частиц. М., 1987.

Д. И. Казаков.

Связанные статьи