8. Распад протона и другие предсказания

теорий Великого Объединения

Одним из важнейших предсказаний ТВО является распад протона. Показанные на рис.13.5 процессы с участием X и Y-бозонов отвечают за возможные распады протона (а также нейтрона) - рис.13.6.

		ò.å. p e^+ + ^o 2
	ò.å. n +^o 2

Ðèñ. 13.6

Вероятность предсказанного распада протона (нейтрона) чрезвычайно мала из-за огромной массы виртуальных X и Y-бозонов. По оценкам ТВО в лучшем случае (SU(5)-модель) время жизни протона относительно доминирующего канала распада pe⁺+^o не может превышать 10³² лет. В то же время для этого канала распада протона эксперимент уже дает > 510³² лет, что, по-видимому, исключает минимальную SU(5)-модель.

Пример. Оценка времени жизни протона по отношению к распаду pe⁺+^o.

Получим эту оценку сравнением с традиционным распадом нейтрона np+e^-+. Сравниваемые распады описываются двухузловыми кварковыми диаграммами (рис. 13.7).

Ðèñ. 13.7.

Традиционный распад нейтрона - это -распад, за который ответственна константа слабого взаимодействия (13.28). Кроме того, известно, что вероятность -распада пропорциональна энерговыделению в 5-ой степени, т.е Q⁵. Таким образом, для вероятности распада нейтрона в единицу времени имеем

, (13.34)

ãäå _w1\30, Q_n=(m_n-m_p-m_e)c²0.8 ÌýÂ, m_wc²=80 ÃýÂ.

За распад протона ответственна константа сил Великого Объединения _GU=1/40 и для вероятности такого распада, по аналогии с (13.34), получаем

, (13.35)

ãäå Q_p=(m_p-m_e-)c²800 ÌýÂ, à m_Xc²10¹⁵ ГэВ. В итоге для _p имеем

ëåò.

Помимо полей Хиггса и распада протона теории Великого Объединения предсказывают существование изолированных магнитных зарядов - монополей Дирака. Дирак выдвинул в 1931 г. гипотезу о существовании магнитных монополей для сохранения фундаментальной симметрии уравнений Максвелла. Он показал, что если существует частица с магнитным зарядом , то электрический заряд квантуется согласно условию

, (n - целое число).

Магнитный монополь (заряд) - источник сферически симметричного магнитного поля, напряженность которого спадает как 1/r². До 1975 г. искались лишь “легкие” релятивистские магнитные монополи с mc²<10 ГэВ. Результаты этих поисков отрицательные. В 1974 г. т’Хоофт и Поляков показали, что теории Великого Объединения (в частности, SU(5)-модель) содержат в качестве решений магнитные монополи, причем их масса огромна mc²10¹⁶-10¹⁷ ГэВ, т.е. около 10^-8-10^-7 г и соответствует массе бактерии. Столь большие массы монополей исключают возможность получения их на ускорителях и объясняют безрезультатность их поисков в прошлом.

В ТВО монополи возникают при разрушении симметрии, присущей Великому Объединению, при температурах 10²⁸ K и их появление тесно связано с хиггсовским полем. Монополи не являются точечными объектами. Они протяженны, имеют сложную “слоистую” структуру и содержат практически весь спектр частиц ТВО. В центре монополя (r<10^-29 см) находится “вакуум” ТВО. За ним (r<10^-16 см) - область электрослабого объединения. Далее (r<10^-15 см) - оболочка конфайнмента, содержащая фотоны и глюоны. Снаружи (r<10^-13 см) - область фермион-антифермионных пар. При расстояниях больших нескольких ферми такой монополь подобен дираковскому.

Благодаря сложному строению монополи ТВО могут служить катализаторами распада протона (эффект Рубакова). Из ненаблюдаемости распада протона найдено ограничение на поток монополей <10^-14ñì^-2ñð^-1ñåê^-1. Слишком большой поток монопо-лей мог бы разрушить галактическое магнитное поле (порядка нескольких микрогаусс). Сохранение этого поля ограничивает верхний предел потока монополей величиной 10^-15 ñì^-2ñð^-1ñåê^-1. Магнитные монополи могли бы сохраниться во Вселенной как реликты эпохи Большого Взрыва.

Если простейшие варианты ТВО справедливы, то в области от 100 до 10¹⁵ ГэВ не происходит ничего неожиданного и не появятся новые частицы (т.е. не предсказываемые ТВО). Эту область называют “Великой пустыней”, имея в виду отсутствие новой физики в столь огромном энергетическом интервале.