Элементарные частицы, их виды и свойства

"унитарного  пространства" и т. д.). Существование  "цвета" у кварков, в

частности, связывается  с особым "цветным" унитарным  пространством. Введение

"внутренних  пространств" в аппарате теории - пока чисто формальный приём,

который, однако, может служить указанием на то, что размерность физического

пространства-времени, отражающаяся в свойствах Э. ч., реально  больше четырёх -

размерности пространства-времени, характерной для всех макроскопических

физических процессов. Масса Э. ч. не связана непосредственно с

трансформационными  свойствами полей; это дополнительная их характеристика.

     Для  описания процессов, происходящих  с Э. ч., необходимо знать, как  различные

физические поля связаны друг с другом, т. е. знать  динамику полей. В

современном аппарате квантовой теории поля сведения о динамике полей заключены

в особой величине, выражающейся через поля - лагранжиане (точнее, плотности

лагранжиана) L. Знание L позволяет в принципе рассчитывать вероятности

переходов от одной  совокупности частиц к другой под влиянием различных

взаимодействий. Эти вероятности даются т. н. матрицей рассеяния (В. Гейзенберг,

1943), выражающейся  через L. Лагранжиан L состоит из  лагранжиана Lвз

, описывающего  поведение свободных полей, и  лагранжиана взаимодействия Lвз

, построенного  из полей разных частиц и  отражающего возможность их

взаимопревращений. Знание Lвз является определяющим для  описания

процессов с  Э. ч.

     Вид  Lвз однозначно определяется трансформационными  свойствами

полей относительной  группы Лоренца и требованием инвариантности относительно

этой группы (релятивистская инвариантность). В  течение длительного времени  не

были, однако, известны критерии для нахождения Lвз (за исключением

электромагнитных  взаимодействий), а сведения о взаимодействиях  Э. ч.,

полученные из эксперимента, в большинстве случаев не позволяли осуществить

надёжный выбор  между различными возможностями. В  этих условиях широкое

распространение получил феноменологический подход к описанию взаимодействий,

основанный либо на выборе простейших форм Lвз, ведущих к наблюдаемым

процессам, либо на прямом изучении характерных свойств  элементов матрицы

рассеяния. На этом пути был достигнут значительный успех в описании процессов с

Э. ч. для различных  выделенных областей энергий. Однако многие параметры теории

заимствовались  из эксперимента, а сам подход не мог претендовать на

универсальность.

     В  период 50-70-х гг. был достигнут  значительный прогресс в понимании

структуры Lвз, который  позволил существенно уточнить его  форму для

сильных и слабых взаимодействий. Решающую роль в этом продвижении сыграло

выяснение тесной связи между свойствами симметрии  взаимодействий Э. ч. и формой

Lвз.

     Симметрия  взаимодействий Э. ч. находит  своё отражение в существовании  законов

сохранения определённых физических величин и, следовательно, в сохранении

связанных с  ними квантовых чисел Э. ч. (см. Сохранения законы). Точная

симметрия, имеющая  место для всех классов взаимодействий, отвечает наличию у Э.

ч. точных квантовых  чисел; приближённая симметрия, характерная  лишь для

некоторых классов  взаимодействий (сильных, электромагнитных), приводит к

неточным квантовым  числам. Отмечавшееся выше различие классов  взаимодействий в

отношении сохранения квантовых чисел Э. ч. отражает различия в свойствах их

симметрии.

     Известная форма Lвзэл. м. для электромагнитных

взаимодействий  есть следствие существования очевидной  симметрии лагранжиана L

относительно  умножения комплексных полей j заряженных частиц, входящих в него в

комбинациях типа j*j (здесь * означает комплексное сопряжение), на множитель e

ia, где a - произвольное  действительное число. Эта симметрия,  с одной

стороны, порождает  закон сохранения электрического заряда, с другой стороны,

если требовать  выполнения симметрии при условии, что a произвольно зависит от

точки х пространства-времени, однозначно приводит к лагранжиану взаимодействия:

     Lвзэл. м. = jmэл. м. (x) Am (x) (1)

     где  jmэл. м. - четырёхмерный электромагнитный  ток (см.

Электромагнитные  взаимодействия). Как выяснилось, этот результат имеет общее

значение. Во всех случаях, когда взаимодействия проявляют "внутреннюю"

симметрию, т. е. лагранжиан инвариантен относительно преобразований

"внутреннего  пространства", а у Э. ч. возникают  соответствующие квантовые

числа, следует  требовать, чтобы инвариантность имела место при любой

зависимости параметров преобразования от точки х (т. н. локальная  калибровочная

инвариантность; Ян Чжэнь-нин, американский физик Р. Миллс, 1954). Физически это

требование связано  с тем, что взаимодействие не может  мгновенно передаваться от

точки к точке. Указанное условие удовлетворяется, когда среди полей, входящих в

лагранжиан, присутствуют векторные поля (аналоги Am (x)),

изменяющиеся  при преобразованиях "внутренней" симметрии и взаимодействующие  с

полями частиц вполне определённым образом, а именно:

     Lвз = ar=1n jmr (x) Vmr (x), (2)

     где  jmr (x) - токи, составленные из полей  частиц, V

mr (x) - векторные  поля, называются часто калибровочными

полями. Т. о., требование локальности "внутренней" симметрии  фиксирует форму L

вз и выделяет векторные поля как универсальные переносчики взаимодействий.

Свойства векторных  полей и их число "n" определяются свойствами группы

"внутренней" симметрии. Если симметрия точная, то масса кванта поля Vm

r равна 0. Для  приближенной симметрии масса  кванта векторного поля отлична

от нуля. Вид  тока jmr определяется полями частиц с

ненулевыми квантовыми числами, связанными с группой "внутренней" симметрии.

     На  основании изложенных принципов  оказалось возможным подойти  к вопросу о

взаимодействии  кварков в нуклоне. Эксперименты по рассеянию нейтрино и

антинейтрино  на нуклоне показали, что импульс  нуклона лишь частично (примерно

на 50%) переносится  кварками, а остальная его часть  переносится другим видом

материи, которая  не взаимодействует с нейтрино. Предположительно эта часть

материи состоит  из частиц, которыми обмениваются кварки и за счёт которых они

удерживаются  в нуклоне. Эти частицы получили название "глюонов" (от английского

glue - клей). С изложенной  выше точки зрения на взаимодействия  эти частицы

естественно считать  векторными. В современной теории их существование

связывается с  симметрией, обусловливающей появление "цвета" у кварков. Если эта

симметрия точная (цветная SU (3)-симметрия), то глюоны - безмассовые  частицы и

их число равно  восьми (американский физик И. Намбу, 1966). Взаимодействие

кварков с глюонами даётся Lвз со структурой (2), где ток jm

r составлен из  полей кварков. Имеется и основание  предполагать, что

взаимодействие  кварков, обусловленное обменом  безмассовыми глюонами, приводит к

силам между  кварками, не убывающим с расстоянием, но строго это не доказано.

     Принципиально  знание взаимодействия между  кварками могло бы явиться  основой

для описания взаимодействия всех адронов между собой, т. е. всех сильных

взаимодействий. Это направление в физике адронов быстро развивается.

     Использование  принципа определяющей роли симметрии  (в т. ч. приближённой) в

формировании  структуры взаимодействия позволило  также продвинуться в понимании

природы лагранжиана  слабых взаимодействий. Одновременно была вскрыта глубокая

внутренняя связь  слабых и электромагнитных взаимодействий. В указанном подходе

наличие пар  лептонов с одинаковым лептонным  зарядом: е-, ve

и m-, vm, но различными массами и электрическими зарядами

расценивается не как случайное, а как отражающее существование нарушенной

симметрии типа изотонической (группа SU (2)). Применение принципа локальности к

этой "внутренней" симметрии приводит к характерному лагранжиану (2), в котором

одновременно  возникают члены, ответственные  за электромагнитное и слабое

взаимодействия (американский физик С. Вайнберг, 1967; А. Салам, 1968):

     Lвз = jmэл. м. + Am + jmсл. з. Wm+ + jmсл. з. Wm- + jmсл. н. Zm0 (3)

     Здесь  jmсл. з., jmсл. н. -

заряженный и  нейтральный токи слабых взаимодействий, построенные из полей

лептонов, Wm+, Wm-, Zm

0 - поля массивных  (из-за нарушенности симметрии)  векторных частиц,

которые в этой схеме являются переносчиками слабых взаимодействий (т. н.

промежуточные бозоны), Am - поле фотона. Идея существования

заряженного промежуточного бозона была выдвинута давно (Х. Юкава, 1935). Важно,

однако, что в  данной модели единой теории электрон магнитного и слабого

взаимодействий  заряженный промежуточный бозон  появляется на равной основе с

фотоном и нейтральным  промежуточным бозоном. Процессы слабых взаимодействий,

обусловленные нейтральными токами, были обнаружены в 1973, что подтверждает

правильность  только что изложенного подхода  к формулировке динамики слабых

взаимодействий. Возможны и другие варианты написания  лагранжиана Lвз

сл с большим числом нейтральных и заряженных промежуточных бозонов; для

окончательного  выбора лагранжиана экспериментальных  данных ещё недостаточно.

     Экспериментально  промежуточные бозоны пока не  обнаружены. Из имеющихся данных

массы W± и Z0 для  модели Вайнберга - Салама оцениваются

примерно в 60 и 80 Гэв.

     Электромагнитное  и слабое взаимодействия кварков  можно описать в рамках

модели, аналогичной  модели Вайнберга - Салама. Рассмотрение на этой основе

электромагнитных  и слабых взаимодействий адронов  даёт хорошее соответствие

наблюдаемым данным. Общей проблемой при построении таких моделей является

неизвестное пока полное число кварков и лептонов, что не позволяет определить

тип исходной симметрии  и характер её нарушения. Поэтому  очень важны дальнейшие

экспериментальные исследования.