Большая советская энциклопедия - элементарные частицы2

Математическая структура унитарных групп открывает возможность описания всех представлений группы SU (n) (и, следовательно, всех мультиплетов адронов) на основе самого простого представления группы, содержащего n компонент. В случае группы SU (3) таких компонент три. Необходимо только допустить наличие частиц, связанных с этим простейшим представлением. Эти частицы и есть кварки. Кварковый состав мезонов и барионов был выведен из того факта, что супермультиплеты мезонов содержат, как правило, 8 частиц, а барионов — 8 и 10 частиц. Эта закономерность легко воспроизводится, если предположить, что мезоны составлены из кварка q и антикварка — символически: , а барионы из трех кварков — символически: В = (qqq). В силу свойств группы SU (3) 9 мезонов разбиваются на супермультиплеты из 1 и 8 частиц, а 27 барионов — на супермультиплеты, содержащие 1, 10 и дважды по 8 частиц, что и объясняет наблюдаемую выделенность октетов и декуплетов. Добавление к схеме четвертого кварка (и, если окажется необходимым, новых дополнительных кварков) осуществляется при сохранении основного предположения кварковой модели о строении адронов: В = (qqq). Все экспериментальные данные хорошо соответствуют приведенному кварковому составу адронов. Имеются, видимо, лишь небольшие отклонения от этой структуры, которые не влияют существенным образом на свойства адронов. Указанная структура адронов и математические свойства кварков, как объектов, связанных с определенным (простейшим) представлением группы SU (4), приводят к след. квантовым числам кварков (табл. 2). Обращают внимание необычные — дробные — значения электрического заряда Q, а также В, S и Y, не встречающиеся ни у одной из наблюдавшихся Э. ч. С индексом a у каждого типа кварка qi (i = 1, 2, 3, 4) связана особая характеристика кварков — «цвет», которой нет у изученных адронов. Индекс a принимает значения 1, 2, 3, т, е. каждый тип кварка qi представлен тремя разновидностями qia (Н. Н. Боголюбов с сотрудниками, 1965; американские физики И. Намбу и М. Хан, 1965; японский физик И. Миямото, 1965). Квантовые числа каждого типа кварка не меняются при изменении «цвета» и поэтому табл. 2 относится к кваркам любого «цвета». Табл. 2. — Характеристики кварков КваркСимволJII3SBYChQ q1apa1/21/2+ 1/201/31/302/3 q2ana1/21/2- 1/201/31/30-1/3 q3ala1/200-11/3-2/30-1/3 q4aca1/200- 1/31/3012/3 Необходимость введения «цвета» вытекает из требования антисимметрии волновой функции системы кварков, образующих барионы. Кварки, как частицы со спином 1/2, должны подчиняться статистике Ферми — Дирака. Между тем имеются барионы, составленные из трех одинаковых кварков, с одинаковой ориентацией спинов: D++(p ­р ­р ­), W+(l ­l ­l ­), которые явно симметричны относительно перестановок кварков, если последние не обладают дополнительной степенью свободы. Такой дополнительной степенью свободы и является «цвет». С учетом «цвета» требуемая антисимметрия легко восстанавливается. Уточненные формулы структурного состава мезонов и барионов выглядят при этом следующим образом: , где eabg — полностью антисимметричный тензор (, — нормировочные множители). Важно отметить, что ни мезоны, ни барионы не несут цветовых индексов (лишены цвета) и являются, как иногда говорят, «белыми» частицами. В табл. 2 не приведены массы кварков. Это связано с тем, что кварки пока выступают лишь как составные части адронов, — в свободном состоянии они не наблюдались, поэтому прямых данных о массах кварков нет. На основании величин масс различных связанных состояний кварков (обычные, странные, очарованные адроны) можно только заключить, что mp Элементарные частицы mn < ml << mc. Все многообразие адронов возникает за счет различных сочетаний р-, п-, g- и с-кварков, образующих связанные состояния. Обычным адронам соответствуют связанные состояния, построенные только из р- и n-кварков для мезонов с возможным участием комбинаций и . Наличие в связанном состоянии наряду с р- и n-кварками одного g- или с-кварка означает, что соответствующий адрон странный (S = —1) или очарованный (Ch = + 1). В состав бариона может входить два и три g -кварка (соответственно с-кварка), т. е. возможны дважды и трижды странные (очарованные) барионы. Допустимы также сочетания различного числа g- и с-кварков (особенно в барионах), которые соответствуют «гибридным» формам адронов («странно-очарованным»). Очевидно, что чем больше g- или с-кварков содержит адрон, тем он тяжелее. Если сравнивать основные (не возбужденные) состояния адронов, именно такая картина и наблюдается (см. табл. 1, а также табл. 3 и 5). Поскольку спин кварков равен 1/2, приведенная выше кварковая структура адронов имеет своим следствием целочисленный спин у мезонов и полуцелый — у барионов, в полном соответствии с экспериментом. При этом в состояниях, отвечающих орбитальному моменту l = 0, в частности в основных состояниях, значения спина мезонов должны равняться 0 или 1 (для антипараллельной ­? и параллельной ­­ ориентации спинов кварков), а спина барионов — 1/2 или 3/2 (для спиновых конфигураций ?­­ и ­­­). С учетом того, что внутренняя четность системы кварк-антикварк отрицательна, значения JP для мезонов при l = 0 равны 0- и 1-, для барионов — 1/2+ и 3/2+. Именно эти значения JP наблюдаются у адронов, имеющих наименьшую массу при заданных значениях I и Y (см. табл. 1). Поскольку индексы i, k, l в структурных формулах пробегают значения 1, 2, 3, 4, число мезонов Mik с заданным спином должно быть равно 16. Для барионов Bikl максимально возможное число состояний при заданном спине (64) не реализуется, т. к. в силу принципа Паули при данном полном спине разрешены только такие трехкварковые состояния, которые обладают вполне определенной симметрией относительно перестановок индексов i, k, 1, а именно: полностью симметричные для спина 3/2 и смешанной симметрии для спина 1/2. Это условие при l = 0 отбирает 20 барионных состояний для спина 3/2 и 20 — для спина 1/2. Более подробное рассмотрение показывает, что значение кваркового состава и свойств симметрии кварковой системы дает возможность определить все основные квантовые числа адрона (J, Р, В, Q, I, Y, Ch), за исключением массы; определение массы требует знания динамики взаимодействия кварков и массы кварков, которое пока отсутствует. Табл. 3. — Кварковый состав мезонов с J P = 0—(­?) ЧастицаСоставЧастицаСостав p+pn?h’ p0hccc? p-p?nF+cl? hF-c?l K+pl?D?0pc? K0nl?D-nc? K-p?lD0p?c K?0n?lD+n?c Табл. 4. — Кварковый состав мезонов с J P = 1—(­­) ЧастицаСоставЧастицаСостав r+pn?jll? r0ycc? r -p?nF*+cl? wF*-c?l K*+pl?D?*0pc? K*0nl?D*-nc? K*-p?lD*0p?c K?*0n?lD*+n?c В качестве иллюстрации в табл. 3 и 4, 5 и 6 приведен вытекающий из описанных представлений кварковый состав мезонов 0- и 1- и барионов 1/2+ и 3/2+ и его соответствие известным частицам (символы наблюдавшихся частиц подчеркнуты). Всюду в таблицах предполагается необходимое суммирование по цветам кварков. Как следует из таблиц, все обычные и странные адроны, которые должны существовать при заданной кварковой структуре, наблюдались экспериментально. Пока нет полных данных для адронов с Ch ? 0, однако изученные частицы полностью соответствуют указанной картине. Правильно передавая специфику адронов с наименьшими массами и спинами при заданных значениях Y и Ch, кварковая модель естественным образом объясняет также общее большое число адронов и преобладание среди них резонансов. Многочисленность адронов — отражение их сложного строения и возможности существования различных возбужденных состояний кварковых систем. Не исключено, что число таких возбужденных состояний неограниченно велико. Все возбужденные состояния кварковых систем неустойчивы относительно быстрых переходов за счет сильных взаимодействий в нижележащие состояния. Они и образуют основную часть резонансов. Небольшую долю резонансов составляют также кварковые системы с параллельной ориентацией спинов (за исключением W-). Кварковые конфигурации с антипараллельной ориентацией спинов, относящиеся к осн. состояниям, образуют квазистабильные адроны и стабильный протон. Возбуждения кварковых систем происходят как за счет изменения вращательного движения кварков (орбитальные возбуждения), так и за счет изменения их пространств. расположения (радиальные возбуждения). В первом случае рост массы системы сопровождается изменением суммарного спина J и четности Р системы, во втором случае увеличение массы происходит без изменения JP. Например, мезоны с JP = 2+ являются первым орбитальным возбуждением (l = 1) мезонов с JP = 1-. Соответствие 2+ мезонов и 1- мезонов одинаковых кварковых структур хорошо прослеживается на примере многих пар частиц: Мезоны r' и y' — примеры радиальных возбуждений r- и y-мезонов соответственно (см. табл. 1). Орбитальные и радиальные возбуждения порождают последовательности резонансов, отвечающие одной и той же исходной кварковой структуре. Отсутствие надежных сведений о взаимодействии кварков не позволяет пока производить количественные расчеты спектров возбуждений и делать какие-либо заключения о возможном числе таких возбужденных состояний. При формулировке кварковой модели кварки рассматривались как гипотетические структурные элементы, открывающие возможность очень удобного описания адронов. В дальнейшем были проведены эксперименты, которые позволяют говорить о кварках как о реальных материальных образованиях внутри адронов. Первыми были эксперименты по рассеянию электронов нуклонами на очень большие углы. Эти эксперименты (1968), напоминающие классические опыты Резерфорда по рассеянию a-частиц на атомах, выявили наличие внутри нуклона точечных заряженных образований. Сравнение данных этих экспериментов с аналогичными данными по рассеянию нейтрино на нуклонах (1973—75) позволило сделать заключение о средней величине квадрата электрического заряда этих точечных образований. Результат оказался удивительно близким к величине 1/2(2/3 e)2+(1/3e)2. Изучение процесса рождения адронов при аннигиляции электрона и позитрона, который предположительно идет через последовательность процессов: ® адроны, указало на наличие двух групп адронов, генетически связанных с каждым из образующихся кварков, и позволило определить спин кварков. Он оказался равным 1/2. Общее число рожденных в этом процессе адронов свидетельствует также о том, что в промежуточном состоянии возникают кварки трех разновидностей, т. е. кварки трехцветны. Табл. 5. — Кварковый состав барионов с J P = ?+(­­?) ЧастицаСоставЧастицаСостав pppnnnc npnnpnc L0pnl{pl}c S+ppl{nl}c S0{pn}lplc S-nnllc X0pllllc X-nllpcc Ppcncc {pn}clcc Табл. 6. — Кварковый состав барионов с J P = 3?2 ЧастицаСоставЧастицаСостав D++{ppp}{ppc} D+{ppn}{pnc} D0{pnn}{nnc} D-{nnn}{plc} S*+{ppl}{nlc } S*0{pnl}{llc } S*-{nnl}{pcc} X*0{pll}{ncc} X*{nll}{lcc} W-{lll}{ccc} Т. о., квантовые числа кварков, введенные на основании теоретических соображений, получили подтверждение в ряде экспериментов. Кварки постепенно приобретают статус новых Э. ч. Если дальнейшие исследования подтвердят это заключение, то кварки являются серьезными претендентами на роль истинно Э. ч. для адронной формы материи. До длин Элементарные частицы 10-15 см кварки выступают как точечные бесструктурные образования. Число известных видов кварков невелико. В дальнейшем оно может, конечно, измениться: нельзя поручиться за то, что при более высоких энергиях не будут обнаружены адроны с новыми квантовыми числами, обязанные своим существованием новым типам кварков. Обнаружение Y -мезонов подтверждает эту точку зрения. Но вполне возможно, что увеличение числа кварков будет небольшим, что общие принципы накладывают ограничения на полное число кварков, хотя эти ограничения пока неизвестны. Бесструктурность кварков также, возможно, отражает лишь достигнутый уровень исследования этих материальных образований. Однако ряд специфических особенностей кварков дает некоторые основания предполагать, что кварки являются частицами, замыкающими цепь структурных составляющих материи. От всех других Э. ч. кварки отличаются тем, что в свободном состоянии они пока не наблюдались, хотя имеются свидетельства их существования в связанном состоянии. Одной из причин ненаблюдения кварков может быть их очень большая масса, что препятствует их рождению при энергиях современных ускорителей. Не исключено, однако, что кварки принципиально, в силу специфики их взаимодействия, не могут находиться в свободном состоянии. Существуют доводы теоретического и экспериментального характера в пользу того, что силы, действующие между кварками, не ослабляются с расстоянием. Это означает, что для отделения кварков друг от друга требуется бесконечно большая энергия, или, иначе, возникновение кварков в свободном состоянии невозможно. Невозможность выделить кварки в свободном состоянии делает их совершенно новым типом структурных единиц вещества. Неясно, например, можно ли ставить вопрос о составных частях кварков, если сами кварки нельзя наблюдать в свободном состоянии. Возможно, что в этих условиях части кварков физически вообще не проявляются и поэтому кварки выступают как последняя ступень дробления адронной материи. Элементарные частицы и квантовая теория поля. Для описания свойств и взаимодействий Э. ч. в современной теории существенное значение имеет понятие физ. поля, которое ставится в соответствие каждой частице. Поле есть специфическая форма материи; оно описывается функцией, задаваемой во всех точках (х) пространства-времени и обладающей определенными трансформационными свойствами по отношению к преобразованиям группы Лоренца (скаляр, спинор, вектор и т. д.) и групп «внутренних» симметрий (изотопический скаляр, изотопический спинор и т. д.). Электромагнитное поле, обладающее свойствами четырехмерного вектора Аm(х) (m = 1, 2, 3, 4), — исторически первый пример физического поля. Поля, сопоставляемые с Э. ч., имеют квантовую природу, т. е. их энергия и импульс слагаются из множества отд. порций — квантов, причем энергия Ek и импульс pk кванта связаны соотношением специальной теории относительности: Ek2 = pk2c2 + m2c2. Каждый такой квант и есть Э. ч. с заданной энергией Ek, импульсом pk и массой т. Квантами электромагнитного поля являются фотоны, кванты других полей соответствуют всем остальным известным Э. ч. Поле, т. о., есть физическое отражение существования бесконечной совокупности частиц — квантов. Специальный математический аппарат квантовой теории поля позволяет описать рождение и уничтожение частицы в каждой точке х. Трансформационные свойства поля определяют все квантовые числа Э. ч. Трансформационные свойства по отношению к преобразованиям пространства-времени (группе Лоренца) задают спин частиц. Так, скаляру соответствует спин 0, спинору — спин 1/2, вектору — спин 1 и т. д. Существование таких квантовых чисел, как L, В, 1, Y, Ch и для кварков и глюонов «цвет», следует из трансформационных свойств полей по отношению к преобразованиям «внутренних пространств» («зарядового пространства», «изотопического пространства», «унитарного пространства» и т. д.). Существование «цвета» у кварков, в частности, связывается с особым «цветным» унитарным пространством. Введение «внутренних пространств» в аппарате теории — пока чисто формальный прием, который, однако, может служить указанием на то, что размерность физического пространства-времени, отражающаяся в свойствах Э. ч., реально больше четырех — размерности пространства-времени, характерной для всех макроскопических физических процессов. Масса Э. ч. не связана непосредственно с трансформационными свойствами полей; это дополнительная их характеристика. Для описания процессов, происходящих с Э. ч., необходимо знать, как различные физические поля связаны друг с другом, т. е. знать динамику полей. В современном аппарате квантовой теории поля сведения о динамике полей заключены в особой величине, выражающейся через поля — лагранжиане (точнее, плотности лагранжиана) L. Знание L позволяет в принципе рассчитывать вероятности переходов от одной совокупности частиц к другой под влиянием различных взаимодействий. Эти вероятности даются т. н. матрицей рассеяния (В. Гейзенберг, 1943), выражающейся через L. Лагранжиан L состоит из лагранжиана Lвз, описывающего поведение свободных полей, и лагранжиана взаимодействия Lвз, построенного из полей разных частиц и отражающего возможность их взаимопревращений. Знание Lвз является определяющим для описания процессов с Э. ч. Вид Lвз однозначно определяется трансформационными свойствами полей относительной группы Лоренца и требованием инвариантности относительно этой группы (релятивистская инвариантность). В течение длительного времени не были, однако, известны критерии для нахождения Lвз (за исключением электромагнитных взаимодействий), а сведения о взаимодействиях Э. ч., полученные из эксперимента, в большинстве случаев не позволяли осуществить надежный выбор между различными возможностями. В этих условиях широкое распространение получил феноменологический подход к описанию взаимодействий, основанный либо на выборе простейших форм Lвз, ведущих к наблюдаемым процессам, либо на прямом изучении характерных свойств элементов матрицы рассеяния. На этом пути был достигнут значительный успех в описании процессов с Э. ч. для различных выделенных областей энергий. Однако многие параметры теории заимствовались из эксперимента, а сам подход не мог претендовать на универсальность. В период 50—70-х гг. был достигнут значительный прогресс в понимании структуры Lвз, который позволил существенно уточнить его форму для сильных и слабых взаимодействий. Решающую роль в этом продвижении сыграло выяснение тесной связи между свойствами симметрии взаимодействий Э. ч. и формой Lвз. Симметрия взаимодействий Э. ч. находит свое отражение в существовании законов сохранения определенных физических величин и, следовательно, в сохранении связанных с ними квантовых чисел Э. ч. (см. Сохранения законы). Точная симметрия, имеющая место для всех классов взаимодействий, отвечает наличию у Э. ч. точных квантовых чисел; приближенная симметрия, характерная лишь для некоторых классов взаимодействий (сильных, электромагнитных), приводит к неточным квантовым числам. Отмечавшееся выше различие классов взаимодействий в отношении сохранения квантовых чисел Э. ч. отражает различия в свойствах их симметрии. Известная форма Lвзэл. м. для электромагнитных взаимодействий есть следствие существования очевидной симметрии лагранжиана L относительно умножения комплексных полей j заряженных частиц, входящих в него в комбинациях типа j*j (здесь * означает комплексное сопряжение), на множитель eia, где a — произвольное действительное число. Эта симметрия, с одной стороны, порождает закон сохранения электрического заряда, с другой стороны, если требовать выполнения симметрии при условии, что a произвольно зависит от точки х пространства-времени, однозначно приводит к лагранжиану взаимодействия: Lвзэл. м. = jmэл. м. (x) Am (x) (1) где jmэл. м. — четырехмерный электромагнитный ток (см. Электромагнитные взаимодействия). Как выяснилось, этот результат имеет общее значение. Во всех случаях, когда взаимодействия проявляют «внутреннюю» симметрию, т. е. лагранжиан инвариантен относительно преобразований «внутреннего пространства», а у Э. ч. возникают соответствующие квантовые числа, следует требовать, чтобы инвариантность имела место при любой зависимости параметров преобразования от точки х (т. н. локальная калибровочная инвариантность; Ян Чжэнь-нин, американский физик Р. Миллс, 1954). Физически это требование связано с тем, что взаимодействие не может мгновенно передаваться от точки к точке. Указанное условие удовлетворяется, когда среди полей, входящих в лагранжиан, присутствуют векторные поля (аналоги Am (x)), изменяющиеся при преобразованиях «внутренней» симметрии и взаимодействующие с полями частиц вполне определенным образом, а именно: Lвз = ar=1n jmr (x) Vmr (x), (2) где jmr (x) — токи, составленные из полей частиц, Vmr (x) — векторные поля, называются часто калибровочными полями. Т. о., требование локальности «внутренней» симметрии фиксирует форму Lвз и выделяет векторные поля как универсальные переносчики взаимодействий. Свойства векторных полей и их число «n» определяются свойствами группы «внутренней» симметрии. Если симметрия точная, то масса кванта поля Vmr равна 0. Для приближенной симметрии масса кванта векторного поля отлична от нуля. Вид тока jmr определяется полями частиц с ненулевыми квантовыми числами, связанными с группой «внутренней» симметрии. На основании изложенных принципов оказалось возможным подойти к вопросу о взаимодействии кварков в нуклоне. Эксперименты по рассеянию нейтрино и антинейтрино на нуклоне показали, что импульс нуклона лишь частично (примерно на 50%) переносится кварками, а остальная его часть переносится другим видом материи, которая не взаимодействует с нейтрино. Предположительно эта часть материи состоит из частиц, которыми обмениваются кварки и за счет которых они удерживаются в нуклоне. Эти частицы получили название «глюонов» (от английского glue — клей). С изложенной выше точки зрения на взаимодействия эти частицы естественно считать векторными. В современной теории их существование связывается с симметрией, обусловливающей появление «цвета» у кварков. Если эта симметрия точная (цветная SU (3)-симметрия), то глюоны — безмассовые частицы и их число равно восьми (американский физик И. Намбу, 1966). Взаимодействие кварков с глюонами дается Lвз со структурой (2), где ток jmr составлен из полей кварков. Имеется и основание предполагать, что взаимодействие кварков, обусловленное обменом безмассовыми глюонами, приводит к силам между кварками, не убывающим с расстоянием, но строго это не доказано. Принципиально знание взаимодействия между кварками могло бы явиться основой для описания взаимодействия всех адронов между собой, т. е. всех сильных взаимодействий. Это направление в физике адронов быстро развивается. Использование принципа определяющей роли симметрии (в т. ч. приближенной) в формировании структуры взаимодействия позволило также продвинуться в понимании природы лагранжиана слабых взаимодействий. Одновременно была вскрыта глубокая внутренняя связь слабых и электромагнитных взаимодействий. В указанном подходе наличие пар лептонов с одинаковым лептонным зарядом: е-, ve и m-, vm, но различными массами и электрическими зарядами расценивается не как случайное, а как отражающее существование нарушенной симметрии типа изотонической (группа SU (2)). Применение принципа локальности к этой «внутренней» симметрии приводит к характерному лагранжиану (2), в котором одновременно возникают члены, ответственные за электромагнитное и слабое взаимодействия (американский физик С. Вайнберг, 1967; А. Салам, 1968): Lвз = jmэл. м. + Am + jmсл. з. Wm+ + jmсл. з. Wm- + jmсл. н. Zm0 (3) Здесь jmсл. з., jmсл. н. — заряженный и нейтральный токи слабых взаимодействий, построенные из полей лептонов, Wm+, Wm-, Zm0 — поля массивных (из-за нарушенности симметрии) векторных частиц, которые в этой схеме являются переносчиками слабых взаимодействий (т. н. промежуточные бозоны), Am — поле фотона. Идея существования заряженного промежуточного бозона была выдвинута давно (Х. Юкава, 1935). Важно, однако, что в данной модели единой теории электрон магнитного и слабого взаимодействий заряженный промежуточный бозон появляется на равной основе с фотоном и нейтральным промежуточным бозоном. Процессы слабых взаимодействий, обусловленные нейтральными токами, были обнаружены в 1973, что подтверждает правильность только что изложенного подхода к формулировке динамики слабых взаимодействий. Возможны и другие варианты написания лагранжиана Lвзсл с большим числом нейтральных и заряженных промежуточных бозонов; для окончательного выбора лагранжиана экспериментальных данных еще недостаточно. Экспериментально промежуточные бозоны пока не обнаружены. Из имеющихся данных массы W± и Z0 для модели Вайнберга — Салама оцениваются примерно в 60 и 80 Гэв. Электромагнитное и слабое взаимодействия кварков можно описать в рамках модели, аналогичной модели Вайнберга — Салама. Рассмотрение на этой основе электромагнитных и слабых взаимодействий адронов дает хорошее соответствие наблюдаемым данным. Общей проблемой при построении таких моделей является неизвестное пока полное число кварков и лептонов, что не позволяет определить тип исходной симметрии и характер ее нарушения. Поэтому очень важны дальнейшие экспериментальные исследования. Единое происхождение электромагнитных и слабых взаимодействий означает, что в теории исчезает как независимый параметр константа слабых взаимодействий. Единственной константой остается электрический заряд е. Подавленность слабых процессов при небольших энергиях объясняется большой массой промежуточных бозонов. При энергиях в системе центра масс, сравнимых с массами промежуточных бозонов, эффекты электромагнитных и слабых взаимодействий должны быть одного порядка. Последние, однако, будут отличаться несохранением ряда квантовых чисел (P, Y, Ch и т. д.). Имеются попытки рассмотреть на единой основе не только электромагнитные и слабые, но также и сильные взаимодействия. Исходным для таких попыток является предположение об единой природе всех видов взаимодействий Э. ч. (без гравитационного). Наблюдаемые сильные различия между взаимодействиями считаются обусловленными значительным нарушением симметрии. Эти попытки еще недостаточно разработаны и сталкиваются с серьезными трудностями, в частности в объяснении различий свойств кварков и лептонов. Развитие метода получения лагранжиана взаимодействия, основанного на использовании свойств симметрии, явилось важным шагом на пути, ведущем к динамической теории Э. ч. Есть все основания думать, что калибровочные теории поля явятся существенным составным элементом дальнейших теоретических построений. Некоторые общие проблемы теории элементарных частиц. Новейшее развитие физики Э. ч. явно выделяет из всех Э. ч. группу частиц, которые существенным образом определяют специфику процессов микромира. Эти частицы — возможные кандидаты на роль истинно Э. ч. К их числу принадлежат: частицы со спином 1/2 — лептоны и кварки, а также частицы со спином 1 — глюоны, фотон, массивные промежуточные бозоны, осуществляющие разные виды взаимодействий частиц со спином 1/2. В эту группу скорее всего следует также включить частицу со спином 2 — гравитон; квант гравитационного поля, связывающий все Э. ч. В этой схеме многие вопросы, однако, требуют дальнейшего исследования. Неизвестно, каково полное число лептонов, кварков и различных векторных (с J = 1) частиц и существуют ли физические принципы, определяющие это число. Неясны причины деления частиц со спином 1/2 на 2 различные группы: лептоны и кварки. Неясно происхождение внутренних квантовых чисел лептонов и кварков (L, В, 1, Y, Ch) и такой характеристики кварков и глюонов, как «цвет». С какими степенями свободы связаны внутренние квантовые числа? С обычным четырехмерным пространством-временем связаны только такие характеристики Э. ч., как J и Р. Какой механизм определяет массы истинно Э. ч.? Чем обусловлено наличие у Э. ч. различных классов взаимодействий с различными свойствами симметрии? Эти и другие вопросы предстоит решить будущей теории Э. ч. Описание взаимодействий Э. ч., как отмечалось, связано с калибровочными теориями поля. Эти теории имеют развитый математический аппарат, который позволяет производить расчеты процессов с Э. ч. (по крайней мере принципиально) на том же уровне строгости, как и в квантовой электродинамике. Но в настоящем своем виде калибровочные теории поля обладают одним серьезным недостатком, общим с квантовой электродинамикой, — в них в процессе вычислений появляются бессмысленные бесконечно большие выражения. С помощью специального приема переопределения наблюдаемых величин (массы и заряда) — перенормировки — удается устранить бесконечности из окончательных результатов вычислений. В наиболее хорошо изученной электродинамике это пока не сказывается на согласии предсказаний теории с экспериментом. Однако процедура перенормировки— чисто формальный обход трудности, существующей в аппарате теории, которая на каком-то уровне точности должна сказаться на степени согласия расчетов с измерениями. Появление бесконечностей в вычислениях связано с тем, что в лагранжианах взаимодействий поля разных частиц отнесены к одной точке х, т. е. предполагается, что частицы точечные, а четырехмерное пространство-время остается плоским вплоть до самых малых расстояний. В действительности указанные предположения, по-видимому, неверны по нескольким причинам: а) истинно Э. ч., вероятнее всего, — материальные объекты конечной протяженности; б) свойства пространства-времени в малом (в масштабах, определяемых т. н. фундаментальной длиной) скорее всего радикально отличны от его макроскопических свойств; в) на самых малых расстояниях (Элементарные частицы10-33 см) сказывается изменение геометрических свойств пространства-времени за счет гравитации. Возможно, эти причины тесно связаны между собой. Так, именно учет гравитации наиболее естественно приводит к размерам истинно Э. ч. порядка 10-33 см, а фундамент, длина l0 может быть связана с гравитационной постоянной f: » 10-33 см. Любая из этих причин должна привести к модификации теории и устранению бесконечностей, хотя практическое выполнение этой модификации может быть весьма сложным. Очень интересным представляется учет влияния гравитации на малых расстояниях. Гравитационное взаимодействие может не только устранять расходимости в квантовой теории поля, но и обусловливать само существование первообразующих материи (М. А. Марков, 1966). Если плотность вещества истинно Э. ч. достаточно велика, гравитационное притяжение может явиться тем фактором, который определяет устойчивое существование этих материальных образований. Размеры таких образований должны быть Элементарные частицы10-33 см. В большинстве экспериментов они будут вести себя как точечные объекты, их гравитационное взаимодействие будет ничтожно мало и проявится лишь на самых малых расстояниях, в области, где существенно изменяется геометрия пространства. Т. о., наметившаяся тенденция к одновременному рассмотрению различных классов взаимодействий Э. ч. скорее всего должна быть логически завершена включением в общую схему гравитационного взаимодействия. Именно на базе одновременного учета всех видов взаимодействий наиболее вероятно ожидать создания будущей теории Э. ч. Лит.: Марков М. А., О природе материи, М., 1976; Газиорович С., Физика элементарных частиц, пер. с англ., М., 1969; Коккедэ Я., Теория кварков, пер. с англ., М., 1971; Perkins D. Н., Neutrinos and nucleon structure, «Contemporary Physics», 1975, v. 16, №2; Захаров В. И., Иоффе Б. Л., Окунь Л. Б., Новые элементарные частицы, «Успехи физических наук», 1975, т. 117, в. 2, с. 227; Боголюбов Н. Н., Ширков Д. В., Введение в теорию квантованных полей, 3 изд., М., 1976; Элементарные частицы и компенсирующие поля, пер. с англ., М., 1964; Бернстейн Дж., Спонтанное нарушение симметрии, калибровочные теории, механизм Хиггса и т. п., в кн.: Новости фундаментальной физики, пер. с англ., М., 1977, с 120—240. А. А. Комар.