Физический энциклопедический словарь - элементарныечастицы и квантовая теория поля.

Трансформац. св-ва поля определяют все квант. числа Э. ч. Трансформац. св-ва по отношению к преобразованиям группы Лоренца задают спин ч-ц: скаляру соответствует спин J=0, спинору -J=¹/2, вектору -J=1 и т. д. Трансформац. св-ва полей по отношению к преобразованиям «внутр. пр-в» задают такие

квант. числа Э. ч., как L, В, I, S С, b, а для кварков и глюонов (см. ниже) — «цвет». Масса Э. ч. не связана с трансформац. св-вами полей, это их дополнит. хар-ка.

Для описания процессов, происходящих с Э. ч., в КТП используется т. н. лагранжев формализм. В лагранжиане (точнее, плотности лагранжиана) ℓ, выражающемся через поля, заключены все сведения о динамике полей. Знание X позволяет в принципе, используя аппарат матрицы рассеяния (S-матрицы), рассчитывать вероятности переходов от одной совокупности ч-ц к другой под влиянием разл. вз-ствий. Лагранжиан X включает в себя лагранжиан ℓ0, описывающий поведение свободных полей, и лагранжиан вз-ствия ℓвз, построенный из полей разных ч-ц и отражающий возможность взаимопревращений ч-ц. Знание ℓвз явл. определяющим для описания процессов с Э. ч. Выбор возможного вида ℓ0 существ. образом определяется требованием релятивистской инвариантности. Критерии для нахождения вида ℓвз (исключая давно известный вид ℓвз для эл.-магн. процессов) были сформулированы в 50—70-х гг. при выяснении важной роли симметрии в определении динамики взаимодействующих полей. Существование той или иной симметрии вз-ствия устанавливается по наличию сохранения в процессах определ. физ. величин и соответствующих им квант. чисел. При этом точным квант. числам отвечает точная симметрия (т. е. симметрия всех классов вз-ствий), неточным квант. числам — симметрия лишь части вз-ствий (напр., сильного и эл.-магн.). Симметрия в сочетании с важным физ. требованием её соблюдения при произвольной зависимости преобразований группы симметрии от точки пространства-времени [локальная калибровочная инвариантность; Янг Чжэньнин, Р. Миллс, США, 1954 (см. Калибровочная симметрия)], как оказалось, полностью задаёт вид =ℓвз. Требование локальной калибровочной инвариантности, физически связанное с тем, что вз-ствие не может мгновенно передаваться от точки к точке, удовлетворяется лишь в том случае, когда среди полей, входящих в лагранжиан, присутствуют векторные поля (аналоги эл.-магн. поля), взаимодействующие с полями Э. ч. вполне определ. образом, а именно:

ℓвз=ⁿ=1³j^(x)V^(x) (1) (n — число калибровочных полей), где j^(x) — токи, составленные из полей ч-ц и определяемые видом ℓ0, V^(х) — векторные поля, наз. калибровочными полями. Векторные поля в этом подходе выделяются как универс. переносчики вз-ствий. Св-ва векторных полей и их число определяются св-вами группы «внутр.» симметрии. Если симметрия точная, то

900

масса кванта поля V^ равна нулю. Для приближённой симметрии масса кванта векторного поля отлична от нуля.

На основании излож. принципов была определена форма кз для кварков, лежащая в основе совр. теории сильного вз-ствия — квантовой хромодинамики. Исходным здесь явилось предположение, что симметрия, отвечающая появлению квант. числа «цвет» у кварков [т. н. «цветная» SU(3)-симметрия], явл. точной. Из требования локальности этой симметрии вытекало существование восьми калибровочных полей G^ (отвечающих безмассовым квантам этих полей — глюонам), переносящих вз-ствие между кварками и связанными с ними выражением типа (1) (Й. Намбу, США, 1966). Имеющиеся эксперим. данные хорошо согласуются с видом лагранжиана для сильного вз-ствия, выведенным таким способом.

Использование принципа определяющей роли симметрии (в т. ч. приближённой) в формировании структуры вз-ствия позволило также найти форму лагранжиана слабого вз-ствия. Одновременно была вскрыта глубокая внутр. связь слабого и эл.-магн. вз-ствий. Существование пар лептонов с одинаковыми лептонными зарядами: е^-, ve; ^-, v и т. д., но с разл. массами и электрич. зарядами было истолковано как отражение существования нарушенной симметрии типа изотопической [группа SUсл(2)], а факт сохранения спиральности в слабых процессах был связан с существованием особого «слабого гиперзаряда» Y^сл, различающего лептоны левой и правой спиральности [группа U(1)]. При этом для «левых» лептонов YL^сл =-1, для «правых» — YR^сл=-2. Такое введение слабого гиперзаряда и предположение, что изотопич. спин «левых» лептонов I=1/2, а «правых» -I=0, позволяют использовать для лептонов ту же ф-лу для электрич. заряда, что и для адронов: Q=I3^сл+Y^сл/2, где I3^сл — третья проекция «слабого изотопич. спина» «левых»

лептонов (I3=-¹/2 для e^-L и + ¹/2 для vеL). Применение принципа локальности к симметрии, связанной с группой SUсл(2)XU(1), привело к характерному лагранжиану (1), в к-ром одновременно возникли члены, ответственные за эл.-магн. и слабое вз-ствия лептонов (амер. физики С. Вайнберг, Ш. Глэшоу, пакист. физик А. Садам; кон. 60-х гг.):

Здесь j^эл.-м. — эл.-магн. ток, j^сл.з., j^сл.н. — заряженные токи и нейтральные токи слабого вз-ствия, построенные из полей лептонов, А — поле фотона, W⁺, W^- и Z°— поля массивных (из-за нарушенности симметрии) векторных ч-ц — переносчиков слабого вз-ствия (промежуточных векторных бозонов).

Излож. подход легко обобщается на эл.-магн. и слабое вз-ствия кварков (амер. физики Ш. Глэшоу, Дж. Илиопулос, итал. физик Л. Майани, 1970). Эксперимент показывает, что при не слишком высоких энергиях лагранжиан слабого вз-ствия [ф-ла (2)] с учётом обобщения на кварки правильно описывает эл.-магн. и слабое вз-ствия. В указанном подходе массы W^± и Z° оцениваются соотв. в 84 ГэВ и 95 ГэВ. В 1983 эти бозоны с приведёнными значениями масс были экспериментально обнаружены в столкновениях пучков р и р^~.

Единое описание эл.-магн. и слабого вз-ствий означает, что в теории исчезает как независимый параметр константа слабого вз-ствия. Единств. константой остаётся электрич. заряд е. Подавленность слабых процессов при небольших энергиях объясняется большой массой промежуточных бозонов.

Имеются попытки рассмотреть на общей основе не только эл.-магн. и слабое, но также и сильное вз-ствие. Исходным явл. предположение о единой природе всех видов вз-ствий Э. ч. (кроме гравитационного) с характерной одной малой константой. Наблюдаемые большие различия между вз-ствиями считаются обусловленными значит. нарушением симметрии при изуч. энергиях. Единая природа и высокая степень симметрии вз-ствия могут проявиться только при энергиях ~10¹⁴ ГэВ в с. ц. и. Кварки и лептоны при таком рассмотрении оказываются однотипными объектами, и становятся возможными их взаимные превращения. Практически неизбежным следствием таких рассмотрений явл. предсказание нестабильности протона со временем жизни ~10³⁰— 10³² лет.

Развитие метода, позволяющего определить вид лагранжиана вз-ствия на основе использования св-в симметрии, явилось важным шагом на пути, ведущем к созданию динамич. теории Э. ч. Есть все основания полагать, что калибровочные теории поля явятся непременным составным элементом дальнейших теор. построений.

Некоторые общие проблемы теории элементарных частиц. Новейшее развитие физики Э. ч. явно выделило из всех Э. ч. группу ч-ц, к-рые существ. образом определяют специфику процессов микромира. Эти ч-цы — возможные кандидаты на роль истинно Э. ч. К их числу относятся ч-цы со спином ¹/2 — лептоны и кварки, а также ч-цы со спином 1 — глюоны, фотон, массивные промежуточные бозоны, осуществляющие разные виды вз-ствий ч-ц со спином ¹/2. В эту группу скорее всего следует также включить ч-цу со спином 2 — гравитон, квант гравитац. поля, связывающий все Э. ч. В этой схеме мн. вопросы, однако, требуют дальнейшего исследования. Неизвестно, каково полное число лентонов, кварков и разл. векторных ч-ц и существуют ли физ. принципы, определяющие это число. Не вполне ясны причины деления ч-ц со спином ¹/2 на две группы: лептоны и кварки. Неясно происхождение «внутр.» квант. чисел лептонов и кварков (L, В, I, S, С, b) и такой хар-ки кварков и глюонов, как «цвет», и с какими степенями свободы они связаны. Неизвестны механизм, определяющий массы истинно У. ч., и причины появления (при нарушении исходной симметрии) у Э. ч. разл. классов вз-ствий с разл. св-вами симметрии. Эти и др. проблемы предстоит решить будущей теории Э. ч. Описание вз-ствий Э. ч., как отмечалось, связано с калибровочными теориями поля. Эти теории, позволяющие рассчитывать вероятности переходов с Э. ч., в настоящем своём виде обладают одним серьёзным недостатком, общим с квант. электродинамикой,— у них в процессе вычислений получаются не имеющие физ. смысла бесконечно большие значения для нек-рых физ. величин (расходимости). С помощью спец. приёма переопределения наблюдаемых величин (массы, заряда) — перенормировки (ренормировки) удаётся устранить бесконечности из окончат. результатов вычислений. Однако процедура перенормировки — чисто формальный обход трудности, существующей в аппарате теории, к-рая на каком-то уровне точности должна сказаться на степени согласия расчётов с измерениями.

Появление бесконечностей в вычислениях связано с тем, что в лагранжианах вз-ствий поля разных ч-ц отнесены к одной пространственно-временной точке, т. е. предполагается, что ч-цы точечные. Кроме того, предполагается, что четырёхмерное пространство-время остаётся непрерывным и плоским (не искривлённым) вплоть до самых малых расстояний. В действительности указанные предположения, по-видимому, неверны по неск. причинам: а) истинно Э. ч., очевидно, должны быть матер. объектами конечной протяжённости; б) св-ва пространства-времени в малом (в масштабах, определяемых фундаментальной длиной) должны | радикально отличаться от его макроскопич. св-в; в) на самых малых расстояниях (~10^-33 см) сказывается изменение геом. св-в пространства-времени за счёт гравитации. Возможно, эти причины тесно связаны между собой [так, фундам. длина l0 может быть связана с гравитац. постоянной (G): l0=(ћG/c³)10^-33 см]. Любая из них должна привести к модификации теории и

901

устранению бесконечностей, хотя практич. выполнение этой модификации может быть весьма сложным.

Особенно интересным представляется учёт влияния гравитации на малых расстояниях. Гравитац. вз-ствие может не только устранить расходимости в КТП, но и обусловливать само существование первообразующих материи (М. А. Марков, 1966). Если плотность в-ва истинно Э. ч. достаточно велика, гравитац. притяжение может явиться тем фактором, к-рый определяет устойчивое существование этих матер. образований. Их размеры должны быть ~10^-33 см. В большинстве экспериментов они будут вести себя как точечные объекты, их гравитац. вз-ствие будет ничтожно мало и проявится лишь на самых малых расстояниях, в области, где существенно изменяется геометрия пространства-времени.

Т. о., наметившаяся тенденция к одноврем. рассмотрению разл. классов вз-ствий Э. ч. скорее всего должна быть логически завершена включением в общую схему гравитац. вз-ствия (см. Суперсимметрия). Именно на базе одноврем. учёта всех видов вз-ствий наиб. вероятно ожидать создания будущей теории Э. ч.

•Марков М. А., О природе материи, М., 1976; Коккедэ Я., Теория кварков, пер. с англ., М., 1971; Окунь Л. Б., Лептоны и кварки, М., 1981; Боголюбов Н. Н., Ш и р к о в Д. В., Квантовые поля, М., 1980; Элементарные частицы и компенсирующие поля, пер. с англ., М., 4964; Бернстейн Дж., Спонтанное нарушение симметрии, калибровочные теории, механизм Хиггса..., в кн.: Квантовая теория калибровочных полей. Сб. ст., пер. с англ., М., 1977. А. А. Комар.