6.2.Объединение физических взаимодействий.

 

Существующая теория элементарных частиц установила, а эксперимент подтвердил важное свойство физических взаимодействий – зависимости интенсивности взаимодействий от энергии и импульса, передаваемых в процессах соударений одних частиц с другими. Обсудим эти зависимости при переданных энергиях, больших 100 ГэВ, т.е. при энергиях, больших масс W^ и Z⁰ бозонов. На масштабе 100 ГэВ слабое взаимодействие уже не является слабым в прямом смысле слова, по интенсивности оно занимает промежуточное место между сильным и электромагнитным. Название «слабое» сохраняется по историческим причинам: впервые оно было обнаружено в области низких энергий, где оно существенно ослаблено по причине большой инертности квантов силового поля. В области же высоких энергий массы W^ и Z⁰ бозонов мало сказываются на свойствах слабых взаимодействий.

Основываясь на результатах экспериментов в достигнутой области энергий, теоретический анализ взаимодействий в области энергий, больших 100 ГэВ, выявил пределы, к которым стремятся интенсивности взаимодействий. Подчеркнем, что факт зависимости интенсивности взаимодействия от величины переданной энергии не имеет аналога в классической физике. Например, в классической электродинамике, где интенсивность взаимодействия определяется электрическим зарядом частиц, элементарный заряд, равный модулю заряда электрона, имеет статус фундаментальной константы. В квантовой же теории электрический заряд частиц – участников взаимодействий – становится функцией переданной энергии или, что то же самое, функцией расстояния между частицами (частицы с большими энергиями способны сблизиться на меньшие расстояния). Объяснение этому дает физика вакуума, а точнее – физика одной их вакуумных подсистем – нулевых колебаний электрически заряженных квантовых полей. Дело в том, что заряженные частицы воздействуют на нулевые колебания, также несущие электрические заряды, и изменяют состояние этих колебаний. Образно говоря, каждая частица окружается облаком виртуальных квантов, возникающих из вакуума и уходящих в него в процессе взаимодействия одних частиц с другими. Этот процесс – извлечения из вакуума «облака» виртуальных квантов и окружение этим «облаком» заряженной частицы – называется поляризацией вакуума. Понятие эффективного заряда, т.е. заряда, зависящего от переданной энергии, относится к системе «частица + поляризованный вакуум». Каждый из известных типов взаимодействий характеризуется своим эффективным зарядом. Эффективный заряд электромагнитных взаимодействий растет с ростом переданной энергии, а эффективный заряд сильного и слабого – уменьшается. Причем эффективный заряд сильного взаимодействия уменьшается быстрее, чем слабого.

Легко понять, почему эффективные электрические заряды растут с уменьшением расстояния (увеличения переданной энергии). Сближающиеся частицы начинают чувствовать так называемые «голые» заряды друг друга, заряды, которые не экранируются облаками электрон-позитронных пар и других пар электрически заряженных частиц и античастиц. Ясно, что «голые» заряды по абсолютной величине больше, чем частично заэкранированные заряды. Сразу обратим внимание, что виртуальные фотоны, не обладающие электрическими зарядами, не участвуют в процессах экранировки.

Для эффективных хромодинамических зарядов кварков ситуация совершенно иная. Эти заряды формируются не только облаками кварк-антикварковых пар, но и облаками глюонных пар. Напомним, что глюоны сами являются носителями хромодинамических зарядов. Теоретический анализ показал, что глюонные облака не экранируют, а, наоборот, усиливают исходные хромодинамические заряды кварков. И чем больше (меньше) область пространства, занимаемого глюонным облаком, тем сильнее (слабее) хромодинамическое взаимодействие кварков. В частности, этот теоретический результат сразу сделал очевидным неспособность перемещения кварков на большие расстояния – они неизбежно попадали в область сверхсильных взаимодействий, обеспечивающих их конфайнмент. И напротив, взаимодействие кварков на малых расстояниях существенно ослабевает. Этот явление, получившее название асимптотической свободы, экспериментально наблюдается в опытах по глубоко-неупругому рассеянию электронов на нуклонах.

В области низких энергий слабое взаимодействие отличается как от электромагнитного, так и от хромодинамического. Основная причина для отличий – большая масса бозонов-переносчиков слабого взаимодействия. Возникает, однако, вопрос: каковы свойства этого взаимодействия в области очень высоких энергий, где массами W и Z бозонов можно пренебречь? Теоретический анализ показал, что качественно эти свойства довольно сильно похожи на свойства хромодинамического взаимодействия – интенсивность слабых взаимодействий падает с ростом переданной энергии.

Таким образом, стандартная теория электромагнитных, сильных и слабых взаимодействий демонстрирует тенденцию к сближению их интенсивностей в области сверхвысоких энергий. Первая оценка области, где интенсивности оказываются примерно равны, была получена в рамках самого простого варианта СМ и оказалась примерно равна 10¹⁵ ГэВ. Однако эффективные заряды в этой точке не сходились друг к другу точно, слабый эффективный заряд изменялся немного быстрее, чем это было нужно для совпадения всех зарядов в одной точке. Гипотеза СУСИ исправила эту ситуацию. Если массы суперпартнеров всех известных частиц не более 1 ТэВ, то суперпартнеры равноправно участвуют в формировании эффективных зарядов всех взаимодействий (кроме гравитационного). Именно это равноправие обеспечивает точную сходимость эффективных зарядов к одному и тому же значению в строго фиксированной точке на энергетической шкале, соответствующей передаче энергии 10¹⁶ ГэВ. При таких энергиях уже нет смысла говорить о трех разных взаимодействиях, ясно, что они представляют собой различные проявления некоторого единого взаимодействия.

Теорию единого взаимодействия оказалось возможным построить на основе представлений об универсальном расслоении пространства-времени. Центральная идея Великого Объединения взаимодействий состоит в том, что имеется одна-единственная слоистая структура пространства-времени, но ее универсальность проявляется только во взаимодействиях при сверхвысоких энергиях (т.е. на очень маленьких пространственно-временных масштабах), где спонтанные деформации этой структуры не являются определяющими для свойств этих взаимодействий. На самом же деле эта структура существенно деформирована, что и проявляется в области низких энергий. В результате спонтанных деформаций система пространственно-временных слоев разбивается на три различные подсистемы, внутри каждой из которых слои упакованы одинаково, но в разных подсистемах по-разному. Уже начиная с промежуточных масштабов (между масштабом Великого Объединения и коллайдерными энергиями), чувствуются различия в свойствах подсистем, то есть единое взаимодействие расщепляется на электромагнитное, слабое и сильное.

Легко догадаться, что при сверхвысоких энергиях объединяются не только силовые поля, но и поля материи: теряются различия между кварками и лептонами. Эти частицы приобретают статус просто различных состояний единого кварк-лептонного поля, универсально взаимодействующего с единой слоистой структурой пространства-времени. Разбиение единой слоистой структуры на три подсистемы сопровождается потерей эквивалентности в свойствах различных компонент кварк-лептонного поля. Единое кварк-лептонное поле разбивается на кварковые и лептонные поля, первое из них чувствует структуру всех трех подсистем, а второе оказывается нечувствительным к хромодинамической подсистеме. Образно говоря, кварки и лептоны существуют в разных слоях пространства-времени. Для сосуществования в общей слоистой структуре им необходимо обменяться энергией, большей 10¹⁶ ГэВ.

Суперсимметрия, как указывалось выше, предоставила количественные аргументы для введения единого калибровочного суперполя и единого кварк-лептонного суперполя. Именно СУСИ, стартуя с экспериментально наблюдаемых значений, и сформулированная в терминах суперраслоений и суперполей, обеспечила схождение эффективных зарядов различных взаимодействий в одной точке. Мы упоминали также и внутреннее математическое свойство СУСИ-теории: устойчивость решений уравнений теории относительно эффекта поляризации вакуума в промежуточной области энергий. Но важнейший результат СУСИ состоит в указании способа объединения всех взаимодействий, включая и гравитацию, в рамках единой теории, называемой супергравитацией.

Как же строится суперсимметричная теория всех взаимодействий? В рамках концепции геометризации выбор теории осуществляется заданием геометрии, т.е. определением изменений свойств пространства-времени при переходе от одной его точки к другой. Такой переход может быть не только сдвигом вдоль слоя, но и перемещением из слоя в слой. Когда гравитационное взаимодействие рассматривается отдельно от трех других, мы задаем изменения свойств пространственно–временного многообразия при сдвигах независимо от изменений при относительных перемещениях между слоями. Оказывается, СУСИ позволяет поставить в однозначное соответствие изменение свойств относительно сдвигов и изменение свойств при переходе между слоями, иначе говоря, установить математическую корреляцию между этими свойствами. В такой теории искривления и расслоения не являются независимыми геометрическими свойствами пространства-времени. В этом случае можно говорить только о единой искривленно-расслоенной геометрии. Создать такую теорию позволила именно СУСИ. Поле, характеризующее единую геометрию, может быть только суперполем, включающим и бозонные, и фермионные компоненты. Можно утверждать, что СУСИ открыла конкретный способ единой трактовки всех взаимодействий

На следующем этапе развития СУСИ, как показали результаты, математика временно оторвалась от физики. Была поставлена задача: отказаться от разделения всех полей на суперполя, характеризующие супергеометрию, и внешние по отношению к ней суперполя, описывающие вложенное в супергеометрию вещество. Так была сформулирована задача о придании всем полям чисто геометрической интерпретации в рамках концепции искривленно-расслоенного суперпространства (ИРС). По существу эта программа сведения всех полей только к локальным проявлениям искажений геометрии (программа создания единой геометрической теории поля) ставилась еще Эйнштейном. В дальнейшем детальное обсуждение этой идеи, проведенное Калуцей и Клейном, привело к Эрлангенской программе построения фундаментальной физики. Именно СУСИ открыла путь к ее выполнению.

Теперь вопрос свелся к классификации всех возможных типов геометрий искривленно-расслоенных 4-мерных пространственно–временных многообразий и к выбору из них тех, которые соответствуют наблюдаемому миру. Оказалось, что таких типов геометрий, называемых N-супергравитациями, всего 8. Но среди всех таких супергравитаций, включая и самую обширную (содержащую наибольшее число полей), не нашлось ни одной, которая описывала бы свойства наблюдаемого мира при переходе в область низких энергий. Как оказалось, подобную неудачу нельзя считать случайной, и потому нельзя сильно огорчаться.