§ 6.1. Великое объединение.

Понятие о единых теориях. Возможности создания единой теории слабого, электромагнитного и ядерного взаимодействий (теории великого объединения), достижения в этом направлении. Понятие о схеме Джорджи – Глэшоу

Вопрос 6.1.1. Для чего нужны единые теории?

Ответ 6.1.1.Весьма заманчива идея унификации основных концепций. В идеале речь идет о том, чтобы исходить из одного сорта фундаментальных частиц, подверженных единому фундаментальному взаимодействию. В такой схеме был бы всего один свободный параметр, через который должны выражаться все характеристики реально наблюдаемых частиц и взаимодействий. Подобные построения называются едиными теориями.

[1, cc. 15 – 27]. Иная сравнительная характеристика фундаментальных взаимодействий

взаимодействие	какую симметрию есть стремление поддержать	число калибровочных бозонов
гравитационное		1
электромагнитное	U(1)em	1
слабое		3
сильное	SU(3)C; это приводит к сохранению белого цвета адронов при изменении цвета составных частей	8
электрослабое	SU(2)EWU(1)EW	4
ТВО	GSU(3)CSU(2)EWU(1)EW; например,SU(5)	12

[1, c. 17]. Элементы сравнительных характеристик КХД, КЭД и теории электрослабого взаимодействия.

теория	КХД	теория электрослабого взаимодействия
инвариантность относительно пространственной инверсии	да	нет
нарушение локальной калибровочной симметрии	нет	да: SU(2)EWU(1)EW  U(1)em

[1, c. 16]. Примеры проявления фундаментальных взаимодействий на макроскопическом уровне в космических условиях.

взаимодействие	сильное	электромагнитное	слабое	гравитационное
примеры	энерговыделение в звездах	поляризация вакуума вокруг черной дыры?	ключевая роль в процессах энерговыделения p+p^2D+e^++e; нейтринное охлаждение при эволюции звезд, взрывах Сверхновых и образовании пульсаров	устойчивость Солнечной системы, системы «Земля – Луна»

Вопрос 6.1.2. Каков был первый шаг на пути к унификации теории элементарных частиц?

Ответ 6.1.2.Первый шаг по пути унификации теории ЭЧ был связан с размещением адронов сначала по изоспиновым, а затем по унитарным мультиплетам. Современная теория унифицировалась в еще большей степени. Число ЭЧ резко уменьшилось: сейчас к ним относят лишь лептоны, кварки и переносчики взаимодействий. Механизм фундаментальных взаимодействий един: все они носят обменный характер, причем их переносчиками являются калибровочные частицы, возникающие в результате локализации исходных групп симметрии лептонов и адронов. Унификация оказалась даже более глубокой: практически завершенной можно считать единую теорию ЭВ и СлВ.

Вопрос 6.1.3. Можно ли считать, что создание единых теорий приводит к необходимости «сдать в архив» прежние теории сильного, слабого и электромагнитного взаимодействий?

Ответ 6.1.3.Заметим, что единые теории вовсе не перечеркивают уже существующие теории сильного, слабого и электромагнитного взаимодействий и не скрывают различия между ними. Напротив, все они включаются в структуру единой теории, которая утверждает только то, что различия между известными взаимодействиями не являются кардинальными и что все эти взаимодействия – конкретные проявления некоего единого механизма. Например, в теории ЭлСлВз обмен промежуточными бозонами приводит к СлВз, а обмен фотонами – ЭВ. Но все эти частицы образуются из 4 безмассовых калибровочных полей, которые смешиваются и обретают массы за счет механизма Хиггса. Наблюдаемые различия в свойствах СлВ и ЭВ возникают из-за того, что фотон не имеет массы, а промежуточные бозоны очень массивные. В результате СлВз малоинтенсивное, т. к. лептоны и кварки редко сближаются на столь малые расстояния, при которых становится возможным обмен промежуточными бозонами (по порядку величины эти расстояния равны_W= ħ/(m_Wc) ~ 10^{– 18}м, и им отвечают энергии Е ~m_Wc²~ 100 ГэВ). Если энергии столь велики, что массами промежуточных бозонов можно пренебречь, то разница между ними и фотонами во многом стирается, т. е. в значительной степени стирается разница между ЭВ и СлВ.