Электроядерное взаимодействие – это потенциально возможный тип взаимодействия, который призван объединить: электромагнитные, сильные и слабые взаимодействия, в создаваемых современными учеными теориях Великого объединения.
Теории объединения
Издавна ученые пытались свести разнообразие явлений природы к наименьшему количеству фундаментальных теорий. При этом первым является вопрос об элементарных компонентах материи, а вторым, возникает вопрос о фундаментальных взаимодействиях, при помощи которых происходит взаимодействие элементов материи.
В недалеком прошлом элементарными частицами материи считали:
- электрон,
- протон,
- нейтрон,
- фотон и т.д.
При этом к фундаментальным силам относили взаимодействия:
Статья: Физическая гипотеза электроядерного взаимодействия
- сильное,
- электромагнитное,
- слабое
- гравитационное.
Поведение частиц описывают при помощи квантовой теории поля, которая объясняет их превращения друг в друга переходами в разные состояния (включая вакуум). В такую теорию традиционные варианты частиц, их параметры, виды взаимодействия и постоянные связи берут извне.
В таком случае появляется вопрос о дальнейшей унификации главных теорий. Ученым хотелось бы взять за основу один вид частиц, которые подчинялись бы законам одного фундаментального взаимодействия. В такой теории будет присутствовать всего один свободный параметр, который мог бы выражать все характерные черты реальных частиц и их взаимодействий. Такие теории называют едиными теориями поля.
Единые теории не имеют своей целью уничтожить все теории сильного, слабого и электромагнитного взаимодействий, скрыть различия между данными взаимодействиями. Эти теории должны быть интегрированы в единую структуру, в которой полагается, что разница между известными видами взаимодействия не является радикальной. Все взаимодействия являются проявлениями некоторого единого механизма.
Так, в теории электрослабого взаимодействия в результате обмена промежуточными бозонами $W^+, W^-, Z^0$ происходит слабое взаимодействие, а в результат обмена фотонами $\gamma$ происходит электромагнитное взаимодействие.
Все названные выше частицы возникают из четверки безмассовых калибровочных полей, которые могут смешиваться и приобретать массы в результате действия механизма Хиггса.
Разница в свойствах электромагнитного и слабого взаимодействия появляется как результат отсутствия массы у фотона, тогда как промежуточные бозоны являются массивными. Следствие таково, что слабое взаимодействие оказывается малоинтенсивным, поскольку лептоны и кварки часто не могут сближаться на очень маленькие расстояния, где возможно осуществить обмен промежуточными бозонами.
Расстояния, при которых возможен описанный обмен, составляет $\lambda \approx 10^{-18} м$, что соответствует энергиям порядка $E \approx 100 ГэВ$. При больших энергиях массы промежуточных бозонов становятся несущественными, ими можно пренебречь, тогда различия между фотонами и ними исчезает, при этом нет различия между электромагнитным и слабым взаимодействиями.
После создания теории электрослабого взаимодействия физики-теоретики создали большую программу, которая направлена на дальнейшую унификацию теории элементарных частиц.
В настоящее время идет создание единой теории слабого, электромагнитного и сильного взаимодействия, которое можно было бы рассматривать как результат электроядерного взаимодействия. Данная теория названа Великим объединением (Великим синтезом).
Делаются попытки создания теории, которая бы включала все четыре типа взаимодействия (гравитацию в том числе). Эти теории часто именуют расширенной супергравитацией.
Великое объединение
Любой из миров лептонов и кварков в отдельности обладает симметрией по отношению к преобразованиям из групп $U(1)$ и $SU(2)$. Что ведет к:
- неизменности слабых гиперзаряда и изоспина;
- размещению лептонов и кварков по слабым изодублетам.
Электрослабое взаимодействие является результатом локализации и спонтанного нарушения начальной симметрии.
Мир кварков является симметричным по отношению к преобразования группы $SU_c(3)$. Это является основанием для сохранения цветового заряда. В результате локализации проявляется сильное взаимодействие.
Для того чтобы описать все фермионы, слабое, электромагнитное и сильное взаимодействия на единой основе, нам необходимо выявить некоторую глобальную симметрию, которая включала бы симметрии по отношению к преобразованиям групп $U(1), SU(2), SU_c (3)$ в виде частных случаев. В этом случае в соответствующие мультиплеты будут включены и лептоны, и кварки, а трансформации симметрии станут переводить эти частицы друг в друга.
Далее глобальные преобразования следует локализовать, тогда появятся безмассовые калибровочные поля.
После этого включают скалярные поля и, используя механизм Хиггса, смешивают безмассовые калибровочные бозоны, наделяя полученные частицы массами. Такой предполагается программа действий при создании теории Великого объединения.
Заметим, что данный подход пока оказался невыполнимым, поскольку породил огромное число промежуточных и хиггсовских бозонов.
Существует несколько попыток реализации программы создания теории Великого объединения. Первой была теоретическая схема Дж. Пати и А. Салама в 1973 году.
Теория Джоржи-Глэшоу
Одной из самых перспективных считают схему, которую предложили Х. Джоржи и С. Глэшоу в 1974 году. В этой теории исходным преобразованием симметрии лептонов и кварков полагают «вращения» комплексном пространстве пяти измерений (группа $SU(5)$). Это преобразование считают минимальной системой единых преобразований.
В данной теории все известные фермионы делят на три поколения. Схему выстраивают для первого поколения, затем дополняют остальными.
Состояния лептонов и кварков помещают в низшие мультиплеты (квинтуплет $N=5$ и декуплет $N=10$ ). Преобразования из $SU(5)$ задают при помощи двадцати четырех вещественных величин. В результате локализации получают 24-плет безмассовых калибровочных бозонов.
С целью локального нарушения симметрии включают 29 скалярных поля. При применении механизма Хигса проводят перемешивание калибровочных частиц, некоторые из них получают массу. Как результат имеют:
- 24 векторных бозона (8 глюонов, 3 промежуточных бозона);
- один фотон;
- 12 новых необычных частиц, имеющих электрические заряды, массы и цвет.
В теории Джорджи-Глэшоу электрический заряд возникает как квантовое число, которое возникает в преобразованиях симметрии. Результирующий заряд каждого $SU(5)$ - мультиплета равен нулю. Это дает связь зарядов лептонов и кварков, поясняет дробность кварковых зарядов.
Данная теория устанавливает квантованность электрического заряда.
Модель Джоржи-Глэшоу дает возможность рассчитать угол Вейнберга, который в теории слабого взаимодействия является свободным параметром.
Теория Джоржи-Глэшоу указывает на связь эффективных постоянных связи слабого, электромагнитного и сильного взаимодействия от передаваемого импульса. Данная зависимость вызвана поляризацией вакуума.
