Каковы задачи физики элементарных частиц? 3 страница
Рис.19. Спонтанное нарушение симметрии. Шарик помещен на вершину поверхности, имеющей форму мексиканского сомбреро. Такая система обладает полной вращательной симметрией, но она неустойчива, и шарик самопроизвольно скатывается на поля “сомбреро”, останавливаясь в произвольной точке. Вращательная симметрия при этом нарушается. Система обретает устойчивость ценой потери симметрии.
Воспользовавшись идеей спонтанного нарушения симметрии, Вайнберг и Садам сделали следующий важный шаг, соединив электромагнетизм и слабое взаимодействие в единой теории калибровочного поля. Чтобы единая теория включала поля обоих типов, необходимо было начать с более сложной калибровочной симметрии, которая сочетает в себе и более простую калибровочную симметрию электромагнитного взаимодействия и изотопическую симметрию слабого взаимодействия. Таким образом, в теории Вайнберга — Салама представлено всего четыре поля; электромагнитное поле и три поля, соответствующие слабым взаимодействиям. Следующий шаг состоял во введении поля Хиггса, которое могло бы вызвать спонтанное нарушение симметрии. Первоначально W- и Z-кванты не имеют массы, но нарушение симметрии приводит к тому, что некоторые частицы Хиггса сливаются с W- и Z-частицами, наделяя их массой. По образному выражению Салама, W- и Z-частнцы “поедают” частицы Хиггса, чтобы прибавить в весе. Фотоны не участвуют в этом процессе в остаются безмассовыми.
Теория Вайнберга — Салама великолепно объясняет, почему кажется, что электромагнитное и слабое взаимодействия обладают столь непохожими свойствами. В действительности фундаментальная структура их силовых полей во многом одинакова: и электромагнитное, и слабые поля — калибровочные. Различия в их свойствах обусловлены нарушением симметрии. Мы не замечаем калибровочную симметрию слабого поля, поскольку она скрыта от нас нарушением симметрии.
Между электромагнитным и слабым взаимодействиями есть еще одно существенное различие — это их величина. Почему слабое взаимодействие имеет столь малую величину? Теория Вайнберга—Салама объясняет это. Если бы симметрия не нарушалась, то оба взаимодействия были бы сравнимы по величине. Нарушение симметрии влечет за собой резкое уменьшение слабого взаимодействия. Действительно, величина слабого взаимодействия непосредственно связана с массами W и Z-частнц. Можно сказать, что слабое взаимодействие имеет столь малую величину потому, что W- и Z-частицы очень массивны.
После того как Вайнберг и Салам в конце 60-х годов опубликовали свою теорию, одна важная теоретическая проблема оставалась нерешенной. Будет ли теория Вайнберга — Салама перенормируемой? Произойдет ли чудо, позволившее КЭД избавиться от бесконечностей, с объединением электрослабых калибровочных полей? Решением этой проблемы в начале 70-х годов занялся Герхард Хоофт из Утрехтского университета. Задача оказалась необычайно трудной. Потребовались сложные и громоздкие вычисления большого числа членов длинной последовательности, чтобы выяснить, где могут возникнуть серьезные бесконечности. В известной мере работу облегчало использование компьютера. Впоследствии Хоофт поведал о том, с какой тревогой он изучал результаты, полученные с компьютера:
Несколько простых моделей дали обнадеживающие результаты. В этих особых случаях все бесконечности взаимно уничтожались независимо от числа калибровочных частиц, участвующих в обмене, и количества петель в диаграммах Фейнмана. Решающей могла бы стать проверка теории с помощью компьютерной программы, вычислявшей бесконечные члены во всех возможных диаграммах с двумя петлями. Результаты такой проверки, были получены к июлю 1971 г.: программа выдала нескончаемую последовательность нулей. Все расходящиеся члены взаимно сократились.
Ясно, что решающее значение для исключения бесконечностей имела высокая степень симметрии, заложенная в электрослабой теории. Физики извлекли из этого хороший урок.
Теперь предстояло лишь выполнить окончательную экспериментальную проверку новой теории. Наиболее убедительная проверка заключалась в подтверждении существования пока еще "гипотетических W- и Z-частиц.
В лабораторных условиях W- и Z-частицы в большинстве случаев не наблюдаемы. Они остаются виртуальными частицами — переносчиками взаимодействия, которыми обмениваются другие частицы. Но если сообщить системе достаточно большую энергию, то это позволит погасить “кредит Гейзенберга”, обеспечивающий мимолетное существование W- и Z-частиц, и они могут обрести “реальность”, т.е. разлетятся и будут существовать независимо. Так как W- и Z-частицы очень массивны (примерно в 90 раз массивнее протона), для их высвобождения требуется огромная энергия; поэтому наблюдать рождение и идентифицировать W-и Z-частицы стало возможным только с созданием очень больших ускорителей новейшего типа.
Открытие в 1983 г. W- и Z-частиц означало торжество теории Вайнберга — Салама. Не было больше нужды говорить о четырех фундаментальных взаимодействиях. Казавшиеся при поверхностном рассмотрении никак не связанными между собой электромагнитное и слабое взаимодействия в действительности были просто двумя компонентами единого электрослабого взаимодействия. За выдающиеся достижения Вайнберг и Салам были удостоены в 1979 г. Нобелевской премии по физике, разделив ее с Шелдоном Глэшоу из Гарвардского университета, который ранее заложил основы этой теории.
Вдохновленные блестящими достижениями теории электрослабого взаимодействия, физики заинтересовались возможностью дальнейшего объединения: а что если в природе существуют всего два фундаментальных взаимодействия или даже единственная суперсила? Незадолго до этого тщательному анализу подвергалось сильное взаимодействие.
Цветные кварки и КХД
Вскоре после того, как успех теории Вайнберга — Салама стал очевиден, возникла идея дальнейшего объединения — слияния сильного взаимодействия с электрослабым. Но прежде чей такое объединение могло бы осуществиться, сильному взаимодействию следовало придать черты калибровочного поля. Мы уже знаем, что сильное взаимодействие можно представлять как результат обмена глюонами, который обеспечивает связь кварков попарно или тройками в адроны. Описание такого процесса на языке калибровочных полей можно построить, вновь воспользовавшись обобщенным представлением об изотопической симметрии.
Суть идеи состоит в следующем. Каждый кварк обладает аналогом электрического заряда, служащим источником глюонного поля. За неимением лучшего термина это? “заряд” назвали цветом. (Разумеется, это название не имеет никакого отношения к обычному цвету.) Электромагнитное поле порождается зарядом только одного сорта, а для создания более сложного глюонного поля потребовалось три различных цветовых заряда. Каждый кварк соответственно мог быть одного из трех возможных цветов, которые совершенно произвольно были названы красным, зеленым и синим.
Связанную с этими цветами калибровочную симметрию наглядно можно представить, снова воспользовавшись “волшебной ручкой”, позволяющей смешивать цвета кварков. В данном случае ручка имеет три указателя цвета — красный, зеленый и синий (рис. 20), — а не два. Поворот ручки превращает красные кварки в зеленые или синие в зависимости от направления вращения. И в этом случае превращение происходит непрерывно: красный цвет постепенно переходит в синий и т.д.
Далее теория сильного взаимодействия развивается по тому же сценарию, что и теория слабого взаимодействия. Требование локальной калибровочной симметрии — инвариантности относительно изменений цвета в каждой точке пространства — приводит к необходимости введения компенсирующих силовых полей. Так как на этот раз “волшебная ручка” имеет не два, а три указателя, симметрия оказывается более сложной, что отражается в большем числе 'полей, необходимых для поддержания локальной калибровочной симметрии. Всего требуется восемь новых компенсирующих силовых полей. Частицами — переносчиками этих полей, разумеется, являются глюоны, и, таким образом, из теории следует, что должно быть восемь различных типов глюонов. Это изобилие резко отличается от одного-единственного переносчика электромагнитного взаимодействия (фотона) и трех переносчиков слабого взаимодействия (W+ -,W-- и Z-частицы).
Антикварки бывают антикрасные, антизеленые и антисиние. Сами глюоны также несут различные цвета, но не чистые, а смешанные, например сине-антизеленый. Когда кварк испускает глюон, его цвет изменяется в зависимости от цвета глюона. Например, красный кварк может, испустив красно-антисиний глюон, изменить свой цвет на синий. Аналогично зеленый кварк, поглотив сине-антизеленый глюон, превращается в синий и т.д.
Итак, испускание или поглощение глюона сопровождается изменением природы кварка, например превращением красного кварка в зеленый. В этом отношении сильное взаимодействие напоминает слабое, при котором испускание W-частицы сопровождает, скажем, превращение электрона в нейтрино. Кварки участвуют как в сильном, так и в слабом взаимодействии, но изменение природы кварка, сопровождающееся испусканием переносчика слабого взаимодействия, отличается от того, что происходит с кварком при испускании глюона. В то время как глюоны изменяют цвет кварка, слабое взаимодействие изменяет его аромат. Например, при распаде нейтрона один из его d-кварков испускает W--частицу, превращаясь в u-кварк. Важно помнить, что кварки обладают и цветом, и ароматом, и не путать эти их характеристики.
В типичном адроне (например, в протоне) три кварка постоянно обмениваются глюонами, изменяя свой цвет. Однако такие изменения не носят произвольный характер. Математический аппарат теории накладывает жесткое ограничение в виде очень важного правила, которому должна неукоснительно следовать эта “игра цветов”. В любой момент времени “суммарный” цвет трех кварков должен представлять собой сумму “красный + зеленый + синий”. Продолжая аналогию с реальным цветом, можно сказать, что комбинация цветов в адроне должна всегда давать белый цвет (смешение первичных цветов, красного, зеленого и синего, дает белый цвет). Итак, мы видим фундаментальную калибровочную симметрию “за работой”. Действие глюонных полей компенсирует внутренние изменения цветов кварков, неизменно сохраняя чисто белым цвет адрона.
Рис.20. Волшебная ручка с тремя указателями позволяет объяснить более сложную калибровочную симметрию, связанную с цветом кварков. Вращение ручки не сказывается на взаимодействии кварков (осуществляемом путем обмена глюона), но приводит к изменению цветов красного (R), синего (B) и зеленого (G) кварков.
Адроны могут состоять из пар кварк — антиквзрк. Это так называемые мезоны. Так как антикварк характеризуется антицветом, такая комбинация заведомо бесцветна (“белая”). Например, красный кварк в комбинации с антикрасным кварком образует бесцветный мезон. В этой схеме все лептоны также лишены цвета, поскольку не взаимодействуют с глюонным полем.
Квантовая теория цвета, или квантовая хромодинамика (КХД), великолепно объясняет правила, которым подчиняются комбинации кварков (первоначально, в 60-х годах, эти правила специально, ad hoc, вводились на каждый случай). С точки зрения КХД сильное взаимодействие есть не что иное, как стремление поддерживать абстрактную симметрию природы; в данном случае это сохранение белого цвета всех адронов при изменении цвета их составных частей. Стоит потребовать существования в природе такой абстрактной калибровочной симметрии, как неизбежно возникнут глюонные поля. Нам нет нужды измышлять их — они автоматически вытекают из математических выкладок.
Сильное взаимодействие имеет еще одну важную особенность, о которой пока не упоминалось Когда теория кварков только появилась, казалось, что произвести экспериментальную проверку ее не очень сложно. Необходимо лишь раздробить адрон на части и продемонстрировать составляющие его кварки Изолированный кварк должен сразу “бросаться в глаза”, поскольку его электрический заряд составляет либо 1/3 либо 2/3 заряда любой другой частицы.
С тех пор один за другим вступали в строй все более крупные ускорители, но “расщепить” адрон на составные части так и не удалось, и у физиков возникли сомнения в справедливости теории кварков. Действительно, коль скоро кварки существуют внутри протона, то должна же быть возможность выбить их оттуда при достаточно сильном соударении с протоном. Но даже при соударениях с энергией, многократно превосходящей его массу покоя, протон все равно никак не расщеплялся. При таких столкновениях появлялся лишь поток новых целехоньких адронов. Наблюдать отдельные кварки так и не удалось.
Альтернативная стратегия поиска кварков состояла в том, чтобы обратиться к самой природе. Если кварки существуют, то разумно предположить, что где-то они возникли в природе. Возможно, что при образовании вещества сначала появились кварки, из которых затем возникли адроны. Не исключено, что при этом нескольким кваркам не хватило партнеров и они в одиночестве блуждают во Вселенной. Но если эта гипотеза верна, то в результате анализа обычного вещества можно обнаружить эти одиночные кварки, все еще блуждающие где-то неподалеку.
Таким анализом решил заняться Уильям Фейрбэнк из Станфордского университета. „Он тщательно изучил небольшие образцы природных минералов, в частности ниобия, с целью выяснить, не содержат ля они частицы с электрическим зарядом 1/3 или 2/3. Для этого Фейрбэнк наблюдал за поведением образцов в сильном электрическом поле. Он повторял тщательные эксперименты на протяжении ряда лет и не раз сообщал о положительных результатах. В некоторых образцах, по утверждениям Фейрбэнка, присутствовали частицы с дробным электрическим зарядом. Однако аналогичные эксперименты в других лабораториях не подтвердили результатов Фейрбэнка и многие физики относятся к его сообщениям скептически. Означает ли это, что у физиков есть сомнения относительно существования кварков? Отнюдь! Растет убеждение, что кварки могут существовать только внутри адронов. Если так, то должен быть закон природы, запрещающий существование изолированных кварков. Когда мы пытаемся “извлечь” кварк из адрона, что-то должно препятствовать его полному удалению из адрона. Возможно, таким препятствием оказывается глюонное поле. Очевидно, кварки внутри адрона связаны столь крепко, что никакие силы в мире не в состоянии разорвать эти связи и освободить кварки. Физики говорят, что кварки навсегда “заточены” внутри адронов, и называют придуманное впоследствии объяснение этого факта проблемой конфайнмента, или удержания.
Суперклей
Главный вызов теории бросает проблема удержания кварков в рамках калибровочных полей. Если бы удалось создать отдельный кварк, то он обладал бы определенным цветовым зарядом — красным, зеленым или синим. Но поскольку кварки удерживаются внутри адронов, мы не наблюдаем первичных цветов, а только ! “белые”, бесцветные, комбинации. Если удержание постоянно, то это означает, что по каким-то причинам природа запрещает появление “голого” цвета. Действует своеобразная цензура. Это объясняет, почему могут существовать изолированные лептоны, а не кварки: дело в том, что лептоны бесцветны.
А что произойдет, если попытаться просто-напросто силой вытолкнуть кварк из адрона? Каким суперклеем он удерживается там так прочно, что никогда не освобождается?
Важный ключ к разгадке природы взаимодействия между кварками был получен в экспериментах на СЛАКе (о которых мы упоминали ранее) при бомбардировке протонов электронами очень высоких энергии. Результаты экспериментов свидетельствовали о том, что на коротких расстояниях взаимодействие ослабевает и кварки по существу ведут себя, как свободные частицы. Более содержательную информацию удается извлечь из свойств мезонов, в которых кварк и антикварк образуют связанную систему, напоминающую атом водорода. Исследуя возбужденные состояния атома водорода, можно сделать вывод, что, поскольку электрическая сила, действующая между протоном и электроном, подчиняется закону обратных квадратов, их взаимное притяжение быстро уменьшается с расстоянием. Аналогичные исследования возбужденных состояний мезонов свидетельствуют о прямо противоположной ситуации. Если две частицы удаляются на большое рас" стояние и переходят в состояние с более высокой энергией, взаимодействие между ними не ослабевает, а усиливается.
Из полученных результатов следует, что взаимодействие между кварками носит странный характер. Все известные взаимодействия ослабевают с увеличением расстояния, тогда как в случае сил, действующих между кварками, наблюдается обратная картина. Они ведут себя, как кусок резины, который сопротивляется растяжению тем сильнее, чем больше его растягивают, и становится свободным, когда концы сближаются. Другой аналогией может служить цепь — кажется, что кварки внутри адронов скованы цепями. Когда кварки находятся близко друг к другу, цепи не ощущаются, и кварки в узких пределах ведут себя свободно и независимо. Но стоит лишь одному из кварков предпринять “попытку к бегству”, как цепь натягивается и резко тянет его назад. Физики называют эту ситуацию заточением или удержанием кварков.
Как только идея удержания кварков получила всеобщее признание, возникла мысль, способна ли КХД объяснить его. Вычисления оказались чрезвычайно трудными, хотя и выявили ряд обнадеживающих моментов. С физической точки зрения удалось в общих чертах понять, каким образом взаимодействие между кварками усиливается с ростом расстояния.
Основное различие между электромагнитным полем, в котором сила убывает с увеличением расстояния, и глюонным полем состоит в том, что фотоны не имеют электрического заряда. Если бы у них был электрический заряд, то мир изменился бы до неузнаваемости. В отличие от фотонов глюоны несут цветовой “заряд” в различных комбинациях, например в комбинации красно-антизеленый. Но цвет — источник сильного взаимодействия. Следовательно, глюоны не только соединяют кварки, но и стремятся соединиться друг о другом. Это существенно усложняет ситуацию, но тщательный анализ приводит к мысли, что эта универсальная “липкость” глюонов, возможно, является ключом к объяснению удержания кварков.
Чтобы уяснить это, нам придется вернуться к понятию квантового вакуума. Посмотрим прежде всего, что произойдет с электроном, если его поместить в вакуум. Напомним, что пространство вокруг электрона в действительности не пусто, а заполнено виртуальными частицами всевозможных сортов, в том числе виртуальными электронами и виртуальными позитронами. Хотя мы непосредственно не наблюдаем эти виртуальные частицы, известно, что они тем не менее существуют и могут создавать физические эффекты. Электрон, помещенный в вакуум, также “узнает” об их существовании, так как они “отзовутся” на его появление. Электрическое поле электрона внесет возмущения в поведение виртуальных электронов и позитронов на протяжении их недолгого существования. Виртуальные позитроны будут притягиваться к электрону под действием силы электрического притяжения, а виртуальные электроны — отталкиваться от него. В распределении заряда возникает смещение, называемое поляризацией. То, что пустое пространство в присутствии электрического поля может стать электрически поляризованным, является любопытным следствием квантовой теории. Трудно представить себе вакуум, обладающий электрическими свойствами, однако поляризация вакуума — эффект вполне реальный и его нетрудно измерить экспериментально.
Поляризация вакуума приводит к тому, что вокруг электрона в вакууме возникает своего рода экран, нейтрализующий действие электрического заряда. Избавиться от этого экрана электрон никак не может, поскольку он является неотъемлемой частью облака виртуальных частиц, окружающих все электроны. Вследствие экранирования эффективный заряд электрона издали кажется меньше реального. Введя зонд внутрь облака, мы почувствовали бы “голый” электрон, имеющий гораздо больший заряд. По мере проникновения зонда в облако мы обнаружим, что простой закон обратных квадратов, выполняющийся на некотором расстоянии от заряда, перестает быть справедливым из-за облака виртуальных позитронов, окутывающих электрон. Таким образом, поляризация вакуума, или вакуумная экранировка, может изменить характер зависимости силы от расстояния.
Экранировка возникает и в глюонном поле, где она приводит к изменению цветового заряда кварков. Виртуальные антикварки стремятся облепить кварк “противоположного” цвета. Например, красный кварк притягивает облако антикрасных антикварков. Как и в случае электромагнитного взаимодействия, происходит частичная нейтрализация цветового заряда. Однако на этот раз Дополнительный вклад в поляризацию вакуума вносят глюоны.
Поскольку глюоны также обладают цветом, виртуальные глюоны в вакууме “откликаются” на присутствие кварка. Оказывается, что глюонное облако действует не так, как облако кварков: оно стремится не нейтрализовать, а усилить цветовой заряд центрального кварка. Поэтому действие виртуальных глюонов противоположно действию виртуальных кварков, и, как показывают детальные вычисления, глюоны одерживают верх: в итоге совместного действия виртуальных глюонов и кварков вакуум усиливает цветовой заряд центрального кварка, а не ослабляет его.
Это обстоятельство оказывает серьезное влияние на взаимодействие кварков. Когда кварк проникает в облако виртуальных частиц своего “партнера”, эффективный цветовой заряд кварка внутри облака ослабевает, и взаимодействие уменьшается. Вторгшись внутрь облака, кварк избавляется от взаимодействия с другими кварками. Ослабевая, взаимодействие между кварками утрачивает свою силу. Подобная ситуация прямо противоположна той, с которой мы сталкиваемся в электромагнетизме, и как раз пригодна для объяснения пленения ксарков.
Было бы преждевременно предсказывать КХД беспрецедентный успех, сопутствовавший КЭД на протяжении более сорока лет ее существования. Тем не менее достижения КХД весьма впечатляющи. Еще в 60-е годы физика адронов казалась запутанным переплетением сил и необузданных частиц. КХД распутала этот клубок, заложив простые основы теории адронов со сравнительно небольшим числом параметров.
Великое объединение
С появлением КХД все существующие в природе взаимодействия, наконец, приобрели единое описание на основе калибровочных полей. Это принесло новые надежды. Успешное объединение слабого и электромагнитного взаимодействий в рамках теории калибровочных полей подсказало возможность дальнейшего объединения. В 1973 г. Шелдон Глэшоу и Говард Джорджи опубликовали теорию, в которой новое электрослабое взаимодействие сливалось б сильным (глюонным) в великое единое взаимодействие. Это была первая теория Великого объединения, ТВО. Ныне существует несколько конкурирующих ТВО, но все они основаны на одной и той же идее.
Если электрослабое и сильное взаимодействия в действительности представляют собой лишь две стороны великого единого взаимодействия, то последнему должно соответствовать калибровочное поле с детально разработанной симметрией, достаточно широкой, чтобы охватить все калибровочные симметрии, содержащиеся в КХД и теории Вайнберга — Салама. Отыскание такой симметрии — задача математики. Единой симметрии, которая обладала бы всеми нужными свойствами, не существует, отсюда и обилие конкурирующих теорий. Тем не менее все ТВО имеют ряд общих особенностей.
Одна из них состоит в том, что кварки, источники (носители) сильного взаимодействия, и лептоны, источники (носители) электрослабого взаимодействия, включаются в единую теоретическую схему. До сих пор кварки и лептоны рассматривались как совершенно различные объекты, так что их включение в единую теорию было совершенно новой идеей. Оно ознаменовало еще один важный шаг на пути к объединению.
Калибровочные симметрии, входящие в ТВО, можно наглядно представить с помощью все той же “волшебной ручки”, перемешивающей природу частиц, но с большим числом указателей. Вместо двух указателей, как в случае электрослабого взаимодействия, и трех — в случае КХД, теперь требуется пять указателей. От поворота ручки ТВО зависит очень многое. Ручки с пятью указателями позволяют делать то, что было не под силу ручкам с меньшим числом указателей: превращать кварки в лептоны и даже в антикварки, т.е. осуществлять переходы, абсолютно запрещенные в прежних теориях.
Как и прежде, требование, чтобы в природе с помощью компенсирующих полей соблюдалась абстрактная калибровочная симметрия (на этот раз более широкая), приводит нас к открытию (чисто теоретическому) новых типов полей, обладающих новыми свойствами, например способностью превращать кварки в лептоны. В простейшем варианте ТВО, предложенном Джорджи и Глэшоу, волшебная ручка связывает вместе красные, зеленые и синие d-кварки, позитрон и антинейтрино. Для этого требуется двадцать четыре поля. Двенадцать из квантов этих полей уже известны: фотон, две W-частицы, Z-частица и восемь глюонов.
Остальные двенадцать квантов — новые, объединенные общим названием Х-частицы. Эти кванты соответствуют полям, поддерживающим более широкую калибровочную симметрию и перемешивающим кварки с лептонами (это соответствует положениям волшебной ручки, при которых происходит смешивание, например, красного d-кварка и позитрона). Следовательно, кванты этих полей, Х-частицы, могут превращать кварки в лептоны (и наоборот), если те обмениваются ими как переносчиками взаимодей-ствия. Электрический заряд Х-частиц равен 1/3 и 4/3.
Проследим теперь за судьбой типичного адрона, который испытывает на себе действие этих необычных Х-частиц. В качестве такого адрона удобно выбрать протон, состоящий из двух u-кварков и одного d-кварка. d- Кварк смешивается с позитроном посредством великой калибровочной симметрии Великого объединения в может превращаться в позитрон путем обмена Х-частицей с нужными характеристиками, в данном случае с надлежащим цветовым зарядом и электрическим зарядом —4/3. Эта Х-частица должна быть передана какой-то другой частице, которой может служить один из u-кварков протона. Поглощая Х-частицу, и-кварк превращается в антии-кварк.
Происходит нечто замечательное. То, что в самом начале было комбинацией двух u-кварков и одного d-кварка, превратилось в позитрон и пару кварк — антикварк. Позитрон не участвует в сильном взаимодействии и поэтому вылетает из адрона, тогда как оставшаяся пара кварк — антикварк образует уже не протон, а мезон (точнее, пион). С точки зрения экспериментатора, эта последовательность событий выглядит как распад протона на позитрон и пион.
На протяжении всей истории физики элементарных частиц незыблемым правилом всегда оставалась абсолютная стабильность протона. Ведь обычное вещество построено из протонов. Предсказание ТВО, что протон может оказаться нестабильным и распадаться, было ошеломляющим. Из него следует, что все вещество в конечном счете нестабильно и, следовательно, не вечно — вывод, безусловно, чрезвычайно глубокий.
В начале зимы 1974г. я ехал на машине из Лондона на конференцию в Резерфордовскую лабораторию, расположенную близ Оксфорда. Одним из моих попутчиков был Абдус Садам, и разговор зашел о содержании доклада, с которым он собирался выступить. Салам сказал, что у него есть кое-какие идеи о возможности распада протонов. Помню, что сама мысль о распаде протона смутила меня, и я отнесся к ней не без изрядной доли скептицизма. В назначенное время Салам сделал свой доклад, который оказался весьма пророческим. Но эта конференция запомнилась мне беседой с Стивеном Хокингом из Кембриджского университета, который сообщил о своем сенсационном открытии; ему удалось доказать, что черные дыры неустойчивы и в конце концов взрываются, создавая потоки радиации. Небезынтересно, что процесc Хокинга, как стало ясно автору открытия спустя несколько лет, может также вызвать распад протона. Квантовые эффекты позволяют протону путем спонтанного туннелирования превращаться в виртуальную черную дыру, которая затем испаряется (что описывается процессом Хокинга), испуская при этом позитрон. Однако распад протона через черную дыру менее вероятен, чем по схеме ТВО.
Ясно, что внезапное исчезновение протона — событие, которое не может не привлечь острого внимания специалистов по физике элементарных частиц; в этой связи возникает вопрос, почему распад протона не был открыт давным-давно. Чтобы ответить на этот вопрос, необходимо выяснить, какую скорость распада предсказывает теория. Исследование радиоактивности показывает, что период полураспада может изменяться в широких пределах
в зависимости от силы взаимодействия, вызывающего распад, и масс, участвующих в распаде частиц. В случае распада протона решающее значение имеет масса Х-частицы, которая, согласно “правилам игры”, определяет ее пробег. Если Х-частица очень массивна, то сфера ее действия сильно ограничена. Чтобы произошел распад протона, два участвующих в нем кварка должны сблизиться на расстояние, при котором возможен обмен Х-частицей, а это происходит чрезвычайно редко. По этой причине распад протона не наблюдался на опыте. Используя самые точные из имеющихся на сегодня оценок периода полураспада протона и решая обратную задачу, физики пришли к заключению, что масса Х-частицы составляет примерно 1014 масс прочена, т.е. колоссальную величину, по сравнению с которой масса самой тяжелой из известных ныне частиц, Z, равная примерно 90 массам протона, пренебрежимо мала.
Прежде чем подробнее остановиться на столь ошеломляющей цифре, необходимо разрешить один кажущийся парадокс. Возможно, читателя обескуражит утверждение, что протон может содержать внутри частицу — переносчик взаимодействия, которая в 1014 раз тяжелее его самого. Это кажущееся противоречие разрешает принцип неопределенности Гейзенберга. Напомним, что Х-частица существует лишь короткое мгновение, на протяжении которого два кварка, сблизившиеся до очень малого расстояния, обмениваются ею. На протяжении столь коротких интервалов времени энергия, а следовательно, и масса будут иметь громадную неопределенность.