3. Стандартная Модель и ее проблемы

 

Выше мы описали основные частицы материи – u и d кварки, электроны, нейтрино – и геометрическую природу взаимодействий между ними. Эксперимент, однако, показал, что полный перечень частиц материи в действительности более широк и содержит еще два дополнительных семейства частиц. Эти семейства (их принято называть поколениями) также состоят из кварков – аналогов u и d, заряженных лептонов – аналогов электрона и новых типов нейтрино – аналогов _e. Все частицы, фигурирующие в современной теории, называемой Стандартной Моделью (СМ) фундаментальных частиц и взаимодействий, собраны в нижеследующей Таблице.

 

Таблица элементарных частиц

 

Частицы и переносчики взаимодействий (в скобках указаны массы покоя частиц-квантов в МэВ или ГэВ: 1 ГэВ = 1000 МэВ)		Вакуумные состояния
Лептоны	1 поколение 2 поколение 3 поколение e (0)  (0)  (0) e- (0.5 МэВ) - (100 МэВ) - (1.8 ГэВ)	Слабокоррелированные вакуумные колебания
Кварки	u (5 МэВ) с (1.3 ГэВ) t (175 ГэВ) d (7 МэВ) s (150 МэВ) b (4.3 ГэВ)	Сильноскоррелированные вакуумные флуктуации – система псевдочастиц, образующих КГК
Глюоны	g (0) (сильные взаимодействия)
Фотон	 (0) (электромагнитные взаимодействия)	Недеформированная слоистая структура (вакуума) с малыми нулевыми колебаниями
Промежуточные бозоны	W (80 ГэВ) Z0 (90 ГэВ) (слабые взаимодействия)	Непрерывно деформированная слоистая структура вакуума с малыми нулевыми колебаниями
Хиггсовский бозон (или бозоны)	Н0 (105 ГэВ) (коллективные возбуждения ХК)	Непрерывная среда (вакуум) с нулевыми колебаниями, заполняющая все пространство-время

 

В первых двух колонках Таблицы приведены названия и математические символы элементарных частиц, в скобках указаны их массы покоя в мега- (МэВ) и гигаэлектронвольтах (ГэВ): 1 МэВ = 1.8 10^-27 г, 1 ГэВ = 1.810^-24 г. В третьей колонке кратко охарактеризованы вакуумные состояния соответствующих квантовых полей. Все частицы, за исключением ХБ, обнаружены в ускорительных экспериментах и свойства их взаимодействий детально изучены.

Для завершения экспериментальной проверки СМ необходимо, однако, обнаружить хиггсовский бозон – в этом состоит первая и основная проблема СМ. Эксперимент по поиску ХБ и возможные последствия эксперимента для физики элементарных частиц, как мы уже говорили, будут обсуждаться в Разделе 7. Свойства же коллективных возбуждений ХК несут информацию о самом конденсате и его функциях, одной из которых и является формирование масс покоя всех указанных в Таблице элементарных частиц. Заметим, что речь идет не только о частицах первого поколения, но и о частицах второго – мюонное нейтрино _, мю-мезон , «очарованный» кварк c («charm»), «странный» кварк s («strange»), и третьего поколений – тау-нейтрино _, тау-лептон , «наивысший» кварк t («top») и «прелестный» кварк b («beaty»).

Происхождение кварк-лептонных поколений, природа их сходства и различий составляет содержание второй проблемы СМ. Сходство поколений в том, что они совершенно одинаково участвуют в фундаментальных взаимодействиях. А различие между ними очевидны из самой Таблицы – массы частиц второго поколения систематически выше масс частиц первого поколения, и то же можно сказать при сравнении масс третьего и второго поколений. Проблема, однако, не только в выяснении природы расщепления спектра масс. Есть еще один, весьма интересный эффект, тщательно изученный экспериментально, но пока не понятый до конца: смешивание кварковых поколений. Речь идет о специфических взаимосвязях и взаимообусловленности свойств кварков из различных поколений. Если бы каждое поколение кварков обладало собственными, присущими ему и только ему свойствами, то в каждом поколении было бы по одному стабильному кварку (стабильным был бы кварк с меньшей массой). Так, в первом поколении стабильным является u кварк, а d кварк распадается по каналу: . Аналогично, во втором и третьем поколениях (если бы их свойства были независимы друг от друга и от первого поколения) стабильными были бы s и b кварки (c и t кварки распадаются, например, по таким каналам: , ).

Эффект смешивания кварков состоит в том, что партнерами для распадов кварков являются кварки не только того же самого, но и соседних поколений. Это означает, что распределение кварков по поколениям в Таблице в некотором смысле условно, каждый элемент таблицы на самом деле должен содержать суперпозицию всех кварков верхнего или нижнего типа. В этой суперпозиции, конечно, доминирующее место занимает тот кварк, который и фиксирует номер поколения. Два других кварка являются, образно говоря, некоторыми малыми примесями, роль которых, однако, чрезвычайно велика в формировании свойств вещества. За счет смешивания поколений странный s кварк в действительности не является стабильным, а распадается по каналу: . Происхождение этой формулы легко понять, если в первом столбце таблицы заменить d кварк на суперпозицию d и s кварков. Аналогично распадается и b кварк. Таким образом, смешивание приводит к тому, что в веществе отсутствует стабильный s кварк, точнее, барионы, в состав которых входит s кварк, например лямбда-гиперон:  = uds. Если бы смешивания не было, эти гипероны входили бы в состав стабильных атомных ядер, образуя так называемые гиперядра. Отличительное свойство таких ядер – они существенно тяжелее обычных ядер при одном и том же числе внутриядерных частиц. В макромире существование стабильных гиперядер привело бы к появлению материальных объектов с почти идентичными химическими свойствами, но сильно различающихся по массе. Такие объекты могли бы сформировать совершенно новые химические и биохимические структуры. Мир, в котором гиперядра стабильны, сильно отличался бы от наблюдаемого мира. Уже одно это обстоятельство заставляет нас самым серьезным образом отнестись к проблеме смешивания, которая, конечно, является частью общей проблемы происхождения кварк-лептонных поколений.

В существующей теории расщепление спектра масс и смешивание поколений вводится на основании гипотезы о различной интенсивности взаимодействий частиц разных поколений с ХК. Конечно, мы хорошо понимаем искусственность этой гипотезы – частицы, тождественные во всех остальных отношениях, почему-то, по неизвестным нам причинам, по-разному взаимодействуют с одним и тем же конденсатом. Формально математически эту гипотезу ввести можно, однако интерпретировать ее в разумных терминах не удается. Ясно, что здесь явным образом проявляется неполнота наших знаний о вакууме. Почти несомненно, что вакуум в действительности обладает более сложной структурой, чем та, которая указана в третьей колонке Таблицы. Новые, дополнительные вакуумные структуры должны, в конечном итоге, решить проблему поколений.

Третья проблема СМ – выделенный статус нейтрино. В Таблице указано, что массы нейтрино приближенно равны нулю. Сегодня, однако, накопилось большое количество косвенных экспериментальных данных, свидетельствующих о том, что массы нейтрино все же отличны от нуля, хотя и весьма малы. Численные значения их масс лежат в интервале от 1 до 10 эВ (1 эВ = 10^-3 МэВ), т.е. более чем в 10000 раз легче ближайшей по массе элементарной частицы – электрона и более чем в 10 миллиардов раз легче самого тяжелого из кварков – t кварка. Разумеется, необходимо понять, в чем состоят физические причины такого громадного отличия масс нейтрино от характерных масс других элементарных частиц. Острота этого вопроса подчеркивается и внутренними математическими свойствами СМ – внутри теории нет никаких причин, запрещающих ввести массы покоя нейтрино примерно той же величины, что и характерная масса соответствующего кварк-лептонного поколения. Однако эксперимент заставляет вводить в теорию искусственный малый параметр, резко отделяя нейтрино в спектре масс своего поколения. Последнее означает, что мы просто не знаем истинных причин появления этого малого параметра. Решение проблемы выделенного статуса нейтрино предполагает выход за рамки СМ, что автоматически приведет к усложнению структуры вакуума в расширенной теории.

Как видим, все три вышеперечисленные проблемы СМ имеют непосредственное отношение к внутренней структуре вакуума. Для решения этих проблем необходимы, прежде всего, новые эксперименты и, весьма вероятно, новые физические идеи.

Существует, однако, еще одна, четвертая проблема СМ – установление новых принципов квантовой динамики для теоретического описания эволюции кварк-глюонного конденсата в реальном пространстве-времени. Ситуация с четвертой проблемой в некотором смысле противоположна первым трем. Для решения первых трех проблем нужно экспериментально обнаружить новые вакуумные структуры, СМ лишь подсказывает, что такую задачу необходимо поставить. Что же касается КГК, то он экспериментально обнаружен, его энергетические параметры измерены, установлена также роль КГК в формировании структуры адронов. Теоретически же мы можем описывать лишь стационарные (неизменные во времени) состояния КГК. Очевидно, однако, что в реальном мире происходят процессы, в которых состояния КГК изменяются во времени в макроскопических масштабах. Более того, уже спланирован и в ближайшие годы будет проводиться эксперимент, в котором такие изменения будут индуцироваться искусственно в процессах соударений тяжелых ионов. Рассказу об этом эксперименте посвящен Раздел 5, а сейчас мы обсудим более подробно физическую природу и структуру КГК. Наша цель – обратить внимание на глубокие причины геометрического и топологического характера, заставляющие ставить задачу поиска новых принципов квантовополевой динамики.