Слабое взаимодействие и нейтрино

Несмотря на то что в повседневной жизни вы не замечаете слабого взаимодействия, потому что оно действительно слабо, это взаимодействие существенно для многих ядерных процессов.

Например, слабое взаимодействие играет важную роль в создании тяжелых элементов, образующихся во время катастрофических взрывов сверхновых. Слабое взаимодействие существенно также для свечения звезд, в том числе Солнца. Оно запускает цепочку реакций, в которых водород превращается в гелий. Приводимые в действие слабым взаимодействием ядерные процессы приводят к непрерывному изменению состава Вселенной. Из наших знаний ядерной физики можно вывести, что примерно 10 % первичного водорода во Вселенной было использовано в качестве ядерного топлива в звездах. (К счастью, оставшиеся 90 % водорода гарантируют, что Вселенной не придется в ближайшее время зависеть от посторонних источников энергии.)

Несмотря на важность слабого взаимодействия, ученые лишь сравнительно недавно определили его свойства. В 1862 году Уильям Томсон (позднее лорд

Кельвин[90]), один из самых уважаемых физиков того времени, чрезвычайно недооценил возраст Солнца и Земли, так как он не знал о ядерных процессах, происходящих за счет слабого взаимодействия (которое, надо отдать ему должное, не было еще тогда открыто). У. Томсон основывал свою оценку на единственном известном источнике светимости — нагреве.

Этот результат не понравился Чарльзу Дарвину. Он получил намного более близкий к правильному минимальный возраст Земли, оценив промежуток времени, требуемый для эрозии и вымывания долины Вельда на юге Англии. Дарвиновская оценка в 300 миллионов лет была тем более привлекательной, что она оставляла достаточно времени для естественного отбора, который мог бы обеспечить большое разнообразие найденных на Земле видов.

Однако все, включая самого Дарвина, сочли, что Томсон, физик блистательной репутации, был прав. Дарвин был настолько убежден в правильности вычислений Томсона и в его репутации, что изъял собственные оценки времени из последующих изданий своей книги Происхождение видов. Только после того, как Резерфорд открыл важную роль радиации[91], дарвиновская идея о большем возрасте Земли было реабилитирована, и теперь установлено, что возраст Земли и Солнца равен 4,5 миллиарда лет, что намного больше оценок Томсона и Дарвина.

В 1960 годах американские физики Шелдон Глэшоу и Стивен Вайнберг, а также пакистанский физик Абдус Салам, работая независимо друг от друга (и не всегда согласованно), разработали электрослабую теорию, которая объясняет слабые взаимодействия и проливает свет на происхождение электромагнетизма[92]. Согласно электрослабой теории, эффекты слабого взаимодействия порождаются обменом частицами, называемыми слабыми калибровочными бозонами, по аналогии с тем, как электромагнитное взаимодействие обусловлено обменом фотонами. Имеются три слабых калибровочных бозона. Два из них, W+ и W~, обладают электрическим зарядом ( W происходит от слова weak, т. е. слабый, а знаки «+» или « — » указывают на знак электрического заряда калибровочного бозона). Третий бозон Z нейтрален (название происходит от слова zero, т. е. ноль).

Как и в случае обмена фотонами, обмен слабыми калибровочными бозонами порождает силы, которые могут быть силами притяжения или отталкивания, в зависимости от слабых зарядов частиц.

частицы, обладающие слабым зарядом, причем их конкретный заряд определяет интенсивность и тип испытываемого ими взаимодействия.

Однако есть несколько важных различий между электромагнитным и слабым взаимодействиями. Одно из самых удивительных — это то, что слабое взаимодействие отличает левое от правого, или, как сказали бы физики, нарушает четность. Нарушение четности означает, что зеркальные образы частиц ведут себя различно по отношению друг к другу. Китайско-американские физики Ч. Н. Янг и Т. Д. Ли в 1950-х годах сформулировали теорию нарушения четности, а другой китайско-американский физик Ц. С. By подтвердила ее экспериментально в 1957 году. В том же году Янг и Ли получили Нобелевскую премию по физике. Любопытно, что By, единственная женщина, сыгравшая роль в развитии обсуждаемой нами Стандартной модели, не получила Нобелевской премии за свое важное открытие.

Некоторые нарушения зеркальной симметрии должны быть знакомы читателю. Например, ваше сердце находится в левой стороне тела. Но если бы эволюция протекала иначе и люди в конце концов имели бы сердце справа, можно было бы ожидать, что все его свойства были бы такими же, как мы наблюдаем сейчас. Тот факт, что сердце находится с одной стороны, а не с другой, никак не влияет на любые фундаментальные биологические процессы.

В течение многих лет вплоть до эксперимента By в 1957 году считалось «очевидным», что физические законы (хотя не обязательно физические тела) не могут предпочитать правое левому или наоборот. Действительно, а почему они должны предпочитать одно другому? Совершенно определенно известно, что тяготение и электромагнетизм, как и многие другие взаимодействия, не отличают левое от правого. Тем не менее слабое взаимодействие, являющееся фундаментальным взаимодействием в природе, отличает левое от правого.

Как может взаимодействие предпочитать правое левому или наоборот? Ответ связан с понятием внутреннего спина фермионов. По аналогии с тем, что конструкция винта предусматривает, что при завинчивании он вращается по часовой стрелке, а не против часовой стрелки, так и у частиц может быть встроенная правая или левая спиральность, указывающая направление их вращения (по отношению к направлению их импульса) (рис. 48). Многие частицы, например электрон и протон, могут вращаться в одном из двух направлений — либо налево, либо направо. Слово киральность, происходящее от греческого слова xeip, т. е. рука, относится к двум возможным направлениям вращения. Частицы могут быть левокиральными или правокираль- ными, как пальцы на ваших руках, кото-

рые на одной руке расположены справа налево, а на другой слева направо[93].

Слабое взаимодействие нарушает зеркальную симметрию, действуя по-разному на левокиральные и правокиральные частицы, которые в физике принято называть просто левыми и правыми. Оказывается, что только левые частицы участвуют в слабых взаимодействиях. Например, левый электрон будет испытывать слабое взаимодействие, а электрон, вращающийся направо, — не будет. Эксперименты ясно показывают, что мир устроен именно так, но нет интуитивного механического объяснения, почему так должно быть.

Вообразите силу, которая может действовать только на вашу левую руку, но не на правую! Я только и могу сказать, что нарушение четности — поразительное, но хорошо установленное свойство слабых взаимодействий. Это одно из самых интригующих свойств Стандартной модели. Например, электроны, испускающиеся при распадах нейтронов, всегда левые. Слабые взаимодействия нарушают зеркальную симметрию, так что когда я перечисляю полный список элементарных частиц и возможных для них взаимодействий (рис.

Нарушение четности, само по себе странное, является не единственным новым свойством слабых взаимодействий. Второе, в равной степени важное свойство заключается в том, что слабое взаимодействие может реально превращать частицу одного типа в частицу другого типа (сохраняя, тем не менее, полный электрический заряд). Например, когда нейтрон взаимодействует со слабым калибровочным бозоном, может возникнуть протон (рис. 49). Это сильно отличается от взаимодействия фотона, который никогда не сможет изменить полное число заряженных частиц любого конкретного типа (т. е. число частиц минус число античастиц), например, число электронов минус число позитронов. (Для сравнения, на рис. 50 показан фотон, взаимодействующий с электроном, который входит в область взаимодействия и покидает ее, а также схематическая диаграмма того типа, что мы использовали ранее.) Именно взаимодействие заряженного калибровочного бозона с нейтроном и протоном позволяет изолированному нейтрону распадаться, превращаясь в совершенно другие частицы.

Однако, поскольку нейтрон и протон имеют разные массы и несут разные заряды, нейтрон должен при распаде породить протон и другие частицы так, чтобы при этом сохранялись заряд, энергия и импульс. Оказывается, что при распаде нейтрона образуется не только протон, но также рождаются электрон и частица, называемая нейтрино[94]. Такой процесс, показанный на рис. 51, называется бета-распадом.

Когда бета-распад был впервые зарегистрирован, никто ничего не знал о нейтрино, которое участвует только в слабых взаимодействиях, но не в электромагнитных. В то же время детекторы частиц могут обнаружить только заряженные частицы или те частицы, которые выделяют энергию. Так как нейтрино не имеет

ItflHEl Представление электрон-фотонного взаимодействия с помощью фейнмановской диаграммы (справа).

ЕИ31 в бета-распаде нейтрон распадается за счет слабого взаимодействия на протон, электрон и антинейтрино. Справа показана фейнмановская диаграмма, представляющая этот процесс, нейтрон превращается в протон и виртуальный калибровочный W~ бозон, который, в свою очередь, превращается в электрон и электронное антинейтрино

электрического заряда и не распадается, оно остается невидимым для детекторов, так что никто не знал о его существовании.

Однако без нейтрино бета-распад выглядел так, как будто в нем не сохранялась энергия. Закон сохранения энергии является фундаментальным принципом всей физики. Он утверждает, что энергия не может ни возникать, ни уничтожаться, а может только переноситься из одного места в другое. Предположение о том, что в бета-распаде не сохраняется энергия, было возмутительным, однако многие уважаемые физики[95], не имевшие представления о существовании нейтрино, были готовы согласиться с таким радикальным (и ошибочным) утверждением.

В 1930 году Вольфганг Паули предложил путь к научному спасению скептиков, который он сам назвал «отчаянной попыткой» — он предположил существование новой электрически нейтральной частицы[96]. Идея Паули состояла в том, что нейтрино тайком крадет часть энергии, выделяющейся при распаде нейтрона. Тремя годами спустя Энрико Ферми дал солидное теоретическое обоснование существования «маленькой» нейтральной частицы, которую он назвал нейтрино[97]. Тем не менее гипотеза о существовании нейтрино представлялась в те времена настолько сомнительным выходом из положения, что ведущий научный журнал Nature отклонил статью Ферми, так как «она содержала размышления, слишком далекие от интересов читателя».

Однако идеи Паули и Ферми были правильными, и в наши дни физики полностью согласны с существованием нейтрино[98]. На самом деле, мы знаем сейчас, что нас непрерывно пронизывают потоки нейтрино, рождающихся вместе с фотонами в ядерных реакциях на Солнце. Ежесекундно сквозь нас проходят триллионы солнечных нейтрино, но их взаимодействия столь слабы, что мы этого никогда не замечаем. Те нейтрино, в существовании которых мы твердо уверены, являются левыми; правые нейтрино либо не существуют, либо очень тяжелы, слишком тяжелы для того, чтобы рождаться, либо взаимодействуют очень слабо. Какая бы из гипотез ни оказалась правильной, правые нейтрино никогда не рождались на ускорителях, и мы их никогда не видели. Поскольку мы значительно более уверены в существовании левых, а не правых нейтрино, я показала на рис. 52, где приведены отдельно левые и правые частицы, только левые нейтрино.

Итак, мы знаем теперь, что слабые взаимодействия действуют только на левые частицы и могут менять тип частиц. Однако, чтобы по-настоящему понять слабые взаимодействия, нам нужна теория, предсказывающая взаимодействия слабых калибровочных бозонов, являющихся переносчиками слабых сил. Физики сразу же поняли, что построить такую теорию не так-то легко. Им потребовалось совершить ряд важных теоретических открытий, прежде чем действительно понять слабое взаимодействие и его следствия.

В конечном итоге проблема состояла в странном свойстве слабого взаимодействия — оно резко спадало на очень малом расстоянии 10~18 м. В этом оно полностью отличается от гравитации или электромагнетизма, для которых, как мы видели в гл. 2, напряженность поля уменьшается с расстоянием обратно пропорционально квадрату расстояния. Хотя при увеличении расстояния грави-

QQ§3 Три поколения Стандартной модели, левые и правые кварки и лептоны перечислены отдельно, в каждой колонке содержатся частицы с одинаковым зарядом (разные ароматы частиц данного типа). Слабое взаимодействие может переводить элементы первой колонки в элементы второй колонки, а элементы пятой колонки — в элементы шестой колонки, сильное взаимодействие испытывают кварки, но не лептоны

тация и электромагнетизм становятся все слабее, их интенсивность не спадает так же быстро, как слабое взаимодействие. Фотон переносит электромагнитное взаимодействие на большие расстояния. Почему слабое взаимодействие ведет себя совершенно иначе?

Было очевидно, что для объяснения ядерных процессов типа бета-распада физики должны найти новый тип взаимодействия, но было неясно, каким может быть это взаимодействие. До того, как Глэшоу, Вайнберг и Салам построили свою теорию слабого взаимодействия, Ферми попытался предложить теорию, включавшую новые типы взаимодействия четырех частиц, например, протона, нейтрона, электрона и нейтрино. Это взаимодействие Ферми непосредственно порождало бета-распад без обращения к промежуточному слабому калибровочному бозону. Иными словами, взаимодействие позволяло нейтрону непосредственно превращаться в свои продукты распада — протон, электрон и нейтрино.

Однако даже в то время было ясно, что теория Ферми не может быть правильной теорией, применимой при всех энергиях. Хотя при низких энергиях ее предсказания были правильными, при высоких энергиях они становились полностью неверными, приводя к слишком сильным взаимодействиям. Если предположить (что неверно), что теория Ферми применима к частицам большой энергии, то мы придем к бессмысленным предсказаниям вроде того, что частицы должны взаимодействовать с вероятностью больше единицы. Это невозможно, так как ничто не может случаться чаще, чем всегда.

Хотя теория, основанная на взаимодействии Ферми, была прекрасной эффективной теорией для объяснения взаимодействий при низких энергиях и между достаточно удаленными частицами, физики видели, что им нужно более фундаментальное объяснение процессов типа бета-распада, если они хотят знать, что происходит при высоких энергиях. Казалось, что теория, основанная на передаче взаимодействий слабыми калибровочными бозонами, должна намного лучше работать при высоких энергиях, однако никто не знал, как учесть короткодействующий характер слабого взаимодействия.

Малый радиус оказался следствием ненулевых масс слабых калибровочных бозонов. В физике частиц связи, накладываемые соотношением неопределенностей и специальной теорией относительности, имеют заметные следствия. В конце гл. 6 я обсуждала вопрос о наименьших расстояниях, на которых частица данной энергии, например, характерной энергии слабого взаимодействия или планковской энергии, может быть подвержена действию сил. В силу соотношения специальной теории относительности между энергией и массой {Е = тс2) массивным частицам, например слабым калибровочным бозонам, автоматически присущи аналогичные соотношения между массой и расстоянием.

В частности, взаимодействие, осуществляемое путем обмена частицей некоторой массы, становится тем слабее на больших расстояниях, чем меньше масса. (Это расстояние пропорционально также постоянной Планка и обратно пропорционально скорости света[99].) Приведенная в гл. 6 связь между массой и расстоянием говорит нам, что слабый калибровочный бозон, масса которого примерно равна 100 ГэВ, автоматически передает слабое взаимодействие только частицам, находящимся на расстоянии 10-18 м. На больших расстояниях переносимое частицей взаимодействие становится необычайно малым, слишком малым для того, чтобы мы могли это когда-нибудь обнаружить.

Ненулевая масса слабого калибровочного бозона представляется критической для успеха теории слабого взаимодействия. Масса есть причина того, что слабое взаимодействие действует только на очень коротких расстояниях, и настолько слабо, что кажется практически несуществующим на больших расстояниях. В этом отношении слабые калибровочные бозоны отличаются от фотона и гравитона, которые не имеют массы. Так как фотон и гравитон, частица, переносящая гравитационное взаимодействие, переносят энергию и импульс, но не имеют массы, они могут передавать взаимодействия на большие расстояния.

Понятие о безмассовой частице может показаться странным, но с точки зрения физики частиц в нем нет ничего удивительного. Безмассовость частиц говорит нам, что эти частицы распространяются со скоростью света (в конце концов, свет состоит из безмассовых фотонов), кроме того, энергия и импульс таких частиц всегда подчиняется определенному соотношению: энергия пропорциональна импульсу.

С другой стороны, переносчики слабого взаимодействия имеют массу. С точки зрения физики частиц, именно массивный (а не безмассовый) калибровочный бозон представляется странным. Ключевое открытие, проложившее дорогу теории слабого взаимодействия, состояло в понимании происхождения масс слабых калибровочных бозонов, благодаря которым зависимость слабого взаимодействия от расстояния так отличается от этой зависимости для электромагнитного взаимодействия. Механизм, который порождает массы слабых калибровочных бозонов, известный как механизм Хиггса, будет обсуждаться в гл. 10. Как мы увидим в гл. 12, лежащая в основе теория, т. е. точная модель, которая придает частицам их массы, является одной из величайших загадок, с которыми сталкиваются сейчас физики-частичники. Одной из привлекательных черт теории дополнительных измерений является то, что она способна помочь решить эту загадку.