Новости науки и техники

Современные лазерные телевизоры
Достоинства новейших лазерных телевизоров, только недавно появившихся на западных рынках

Не успел рядовой потребитель толком порадоваться современным плазменным или жидкокристаллическим телевизорам, как на смену пришли новейшие лазерные телевизоры.
Придется ли в ближайшем будущем отказываться от так понравившейся Плазмы? Далее...

Laser TV

электрослабое взаимодействие

ЭЛЕКТРОСЛАБОЕ ВЗАИМОДЕЙСТВИЕ - взаимодействие, в к-ром участвуют кварки и лептоны, излучая и поглощая фотоны или тяжёлые промежуточные векторные бозоны W⁺, W^-, Z⁰. Э. в. описывается калибровочной теорией со спонтанно нарушенной симметрией.

Теория Э. в. использует заряж. промежуточные бозоны, введённые впервые Ю. Швингером ( J. Schwinger) в 1957. Дальнейшее развитие теории опирается на калибровочные теории (см. Калибровочная инвариантность), впервые применённые к Э. в. в работах Ш. Глэшоу (Sh. Glashow, 1961) и А. Салама и Дж. Уорда (A. Salam, J. С. Ward, 1964). Однако на первом этапе не удавалось решить проблему масс тяжёлых бозонов в рамках калибровочно-инвариант-ной теории.

Окончат. формулировка была достигнута С. Вайнбер-гом (S. Weinberg) и А. Саламом (A. Salam) в 1967 с использованием Хиггса механизма.

Теория Э. в. даёт объединённое описание эл--магн. и слабого взаимодействий. Электромагнитное взаимодействие описывается квантовой электродинамикой. О слабом взаимодействии, к-рое приводит к распадам элементарных частиц, было известно, что совокупность данных описывается взаимодействием вида "ток на ток" в V-A-варианте

где L_int-лагранжиан взаимодействия; j_a-слабый ток; g_a - Дирака матрицы; е, m, v - операторы соответствующих полей, черта означает дираковское сопряжение; G_F = (1,16639 + 0,00002)·10^-5 ГэВ^-2 - константа взаимодействия Ферми, имеющая в системе единиц =1, с=1 размерность обратной массы в квадрате; V_a^hadr, A_a^hadr -соответственно векторный и аксиальный заряженные адронные токи (см. Аксиальный ток, Векторный ток, Заряженный ток). Данные по распадам, напр. m^- е^- ++ v_m, и по нейтринным реакциям, напр. v_m + Nm^- + адроны, вполне описываются взаимодействием (1). Однако с точки зрения квантовой теории поля это взаимодействие принадлежит к классу неренормируемых (см. Перенормируемость), что приводит к возникновению неустранимых расходимостей в процессе вычисления высших поправок по возмущений теории. Неренормируемость теории проявляется также в росте сечений s_с слабых процессов при высоких энергиях в низшем порядке теории возмущений: s_сG_F²s, где s - квадрат энергии в системе центра инерции. Введение заряж. векторного промежуточного массивного бозона W с взаимодействием

(где g_W - константа взаимодействия; h.c.- означает эрмитово сопряжённое выражение; M_W - достаточно большая масса бозона) устраняет рост сечений ряда слабых процессов, напр. рассеяния нейтрино на электроне. Однако взаимодействие (2) также неренормируемо, что отражается, в частности, в росте сечения процесса е⁺+е^-W⁺ + W^-. Оказывается, сократить растущие члены в амплитуде этого и аналогичных ему процессов можно, если ввести наряду с W ещё нейтральный промежуточный бозон Z, также массивный, и учесть фотонное поле А_m.

Теория Э. в. строится как калибровочная квантовая теория поля с группой симметрии SU(2) U(1). Это значит, что в исходной теории имеется 4 безмассовых векторных поля: W_m^-, W_m^-, W_m⁰- Янга - Миллса поле, соответствующее симметрии SU(2), и В_m - поле, связанное с симметрией U (1). Исходная симметрия должна быть нарушена (см. Спонтанное нарушение симметрии ),в частности должны получить массы W^b, Z. Два нейтральных поля W⁰_m и В_m соответствуют линейным комбинациям наблюдаемых (физ.) полей Z_m, A_m

q_W обычно наз. Вайнберга углом. Мин. число скалярных полей, приводящих к возникновению масс трёх промежуточных бозонов, равно четырём. В качестве таковых выбирается комплексный дублет, т.е. вектор спинорного представления группы SU(2): j = (j₁, f₂); f⁺=f⁺₁, f⁺₂ (" + "- означает эрмитово сопряжение). Исходный лагранжиан калибровочных и скалярных полей, инвариантный относительно калибровочных преобразований с группой SU(2) U(1), имеет вид:

где l-константа взаимодействия поля Хиггса; тензор напряжённости поля F_mv соответствует группе U(1)и связан с вектор-потенциалом В_m так же, как в случае эл--магн. поля: F_mv = д_mВ_v - д_vB_m, a Wⁱ_mv, - стандартным образом определённая напряжённость поля Янга - Миллса. Символ D_m (ковариантная производная) определён следующим образом:

где g, g' - константы взаимодействия поля Хиггса с полями W и В; т^a - Паули матрицы.

Явление (механизм) Хиггса осуществляется при отри-цат. квадратах масс скалярных частиц, т. е. при m²=-m²₀<0. Предполагается, что отличное от нуля вакуумное среднее приобретает скалярное поле f₂: <|j₂|> = h/· Скалярные поля переопределяются следующим образом:

Здесь физ. полями являются y_i, s, c. Подстановка в (3) приводит к появлению члена первой степени по полю s: s·(hm²₀ - lh³). Требование равенства нулю вакуумного ср. поля s даёт условие

решения к-рого h = 0 (тривиальное) и h²l = m²₀ (нарушающее симметрию). В теории Э. в. реализуется второе решение. Коэффициенты при квадратах полей y_i, c равны (m²₀, - lh²)/2, т. е. массы их равны нулю, a m_s=m₀. Появление полей с массой нуль является следствием теоремы H. H. Боголюбова [в применении к задачам теории частиц теорему сформулировал Дж. Голдстоун (J. Goldstone), см. Голдстоуна теорема]. Безмассовые скалярные частицы уходят из физ. спектра в результате явления Хиггса. При этом необходимо провести следующее калибровочное преобразование вектор-потенциалов заряж. бозонов:

Бозоны W приобретают массу M_W=gh/2. Нейтральные поля W⁰ и Z образуют комбинацию

причём нейтральный бозон приобретает массу M_Z = h/2. Угол Вайнберга связан с константами связи следующим образом:

Фотонная комбинация (2) массу не приобретает. T. о., три безмассовых скаляра в результате осуществления механизма Хиггса включаются в массивные векторные поля, давая недостающие степени свободы. Из равенства заряда W элементарному заряду е получаем связь e²=g²sin² q_W. Для описания взаимодействия векторных и скалярных полей с элементарными спинорами - лептонами и кварками- вводятся лептонные мультиплеты - левые и правые

где k= 1, 2, 3; N_k = (v_e, v_m, v_т); E_k = (e, m, т), и аналогичные кварковые мультиплеты

где штрих у кварков типа D означает комбинации кварков d, s, b, к-рые определены ниже.

Часть лагранжиана Э. в., содержащая спиноры, имеет вид:

Известные электрич. заряды лептонов и кварков фиксируют вид удлинённых производных (независимо от k):

Взаимодействие спиноров со скалярными хиггсовыми полями описывается выражением

где g^k_s - соответствующие константы взаимодействия. Выделение вакуумного среднего h приводит к появлению массы лептонов и кварков, причём массы определяются соответствующими юкавскими константами связи, напр. m_e =hg¹_s/, m_c =hG_s^2(U}/. По крайней мере, на нынешнем этапе понимания теории Э. в. каждой массе соответствует своя константа, так что они задаются в соответствии с экспериментом.

Из выражений (4), (5) следует окончат. вид Э. в. лептонов и кварков с векторными полями:

где заряж. ток

эл--магн. ток

и нейтральный ток

Сравнивая заряж. ток с выражением (2), получаем, что калибровочная константа связи g=g_W2, откуда

T. о., главные отличия Э. в. от четырёхфермионного взаимодействия (1) заключаются, во-первых, в существовании тяжёлых промежуточных бозонов W, Z и, во-вторых, в присутствии взаимодействия с нейтральным током. Существенно, что нейтральный ток является диагональным по квантовым числам странности, чарма и т. д. Комбинации d', s', b' определяются матрицей Кабиббо - Кобая-ши - Маскава, зависящей от трёх углов (Эйлера) f_j и одной фазы d:

где c_j=cos f_j, s_j=sin j_j. Эксперим. данные по слабым распадам частиц дают следующие соотношения:

Отличие фазы f от нуля или p означает нарушение инвариантности относительно обращения времени T- и СР-инва-риантности.

Преобразование (6) обеспечивает инвариантность квадратичной формы D_k, т. е. , что и приводит к диагональности нейтрального тока, к-рая с высокой точностью подтверждается отсутствием распадов вида K⁺p ⁺v.

В теории Э. в. совпадение числа лептонов и кварков выглядит совсем не случайным. Только тогда сокращаются аксиальные аномалии ,к-рые в противном случае приводят к перенормируемости теории.

Первым подтверждением теории Э. в. послужило открытие нейтральных токов (1973). Дальнейшее уточнение данных по нейтральным токам привело к значению угла q_W: sin² q_W = 0,223 + 0,002. Триумфом теории явилось открытие W- и Z-бозонов на протон-антипротонном коллайдере ЦЕРН (1983). Накоплено большое кол-во данных, к-рые в совокупности дают превосходное согласие эксперимента с теорией. Интересно, что все данные согласуются с низшим порядком теории возмущений с параметрами

где все значения соответствуют энергиям вблизи массы Z, а значение постоянной тонкой структуры согласуется с предсказанной зависимостью "бегущей константы связи" от импульса (см. Ренормализационная группа ).Кажется удивительным, что при достаточно высокой эксперим. точности не проявляются радиационные поправки ,к-рые могут достигать значит. величины при большом значении массы t-кварка. Оказывается, что при значении массы t-кварка ок. 150 ГэВ происходит сокращение разл. вкладов, что и может объяснить наблюдаемое согласие с низшим порядком. T. о., совокупность данных по Э. в. предсказывает массу f-кварка в интервале 110-195 ГэВ. Открытие t-кварка (март 1995) блестяще подтвердило это предсказание: измерение массы t-кварка двумя группами в ФНАЛ (США) дало значения 176+13 ГэВ и 199 + 30 ГэВ.

Совокупность эксперим. данных, находящихся в согласии с теорией, составляют, во-первых, данные по мно-гочисл. распадам частиц (проверка взаимодействия заряж. тока с W-бозоном); во-вторых, данные по нейтринным реакциям (проверка взаимодействия с Z и W); в-третьих, данные по параметрам самих W- и Z-бозонов: M_W = 80,22 b0,18 ГэВ, Г_W = 2,08 + 0,07 ГэВ; из (7), Г_Z = 2497,4 b3,8 МэВ. Вероятности распадов W и Z по конкретным каналам, в основном, согласуются с теорией Э. в.

Осн. проблема Э. в., требующая решения,-изучение механизма нарушения исходной инвариантности. Самый прямой путь здесь-поиски хиггсова скаляра. Теория не предсказывает его массу M_H, поэтому диапазон поисков очень широк. Активно обсуждается возможность 100 ГэВ < M_H < 1000 ГэВ, к-рая будет исследована на кол-лайдерах нового поколения (LHC, SSC). Открытие хиггсова скаляра означало бы окончательное подтверждение теории Э. в. в исходной формулировке С. Вайнберга и А. Салама. Другая важная нерешённая проблема - нарушение CP- и T-инвариантностей. Отмечалось, что если в (6) фаза f0, p, то инвариантности нарушены. Нельзя утверждать, что совокупность данных по нарушению СР-инвариантности соответствует именно такому варианту. Представляется, что детальное определение параметров матрицы Кабиббо - Кобаяши - Маскава также является одной из центр. проблем Э, в.

Лит.: Weinberg S., A model of leptons, "Phys. Rev. Lett.", 1967, v. 19, p. 1264; Salam А., Weak and electromagnetic interctions, in: Elementary particle physics, Ed. N. Svartholm, Stockh., 1968, p. 367; Аберс E. С., Ли Б. В., Калибровочные теории, в сб.: Квантовая теория калибровочных полей, пер. с англ., M., 1977, с. 241; Окунь Л. Б., Лептоны и кварки, 2 изд., M., 1990; Ченг T.-П., Ли Л--Ф., Калибровочные теории в физике элементарных частиц, пер. с англ., M., 1987. Б. А. Арбузов.

<< Предметный указатель >>