§ 84. Великое объединение

Эйнштейн потратил много лет на то, чтобы единым образом описать гравитационное и электромагнитное взаимодействия. Однако его усилия не увенчались успехом. Идея Эйнштейна о единстве различных видов взаимодействий была реализована (хотя бы частично) спустя 30 лет после его смерти. Удалось объединить в рамках единой теории электромагнитное и слабое взаимодействия и разработать основы для построения единой теории электромагнитного, слабого и сильного взаимодействий.

В конце 70-х годов Вайнберг, Глешоу и Салам создали единую теорию электрослабых (т. е. электромагнитных и слабых) взаимодействий. Из этой теории вытекает, что переносчиками слабых взаимодействий является группа частиц, получивших название промежуточных векторных бозонов. В эту группу входят две заряженные частицы и одна нейтральная — первая буква английского слова weak — слабый). Таким образом, слабые взаимодействия подобны электромагнитным, переносчиками которых также являются векторные бозоны — фотоны. Теория позволила предсказать массы промежуточных бозонов.

Промежуточные бозоны были обнаружены в 1982—1983 гг. двумя группами физиков в ЦЕРНе (Европейской организации ядерных исследований, расположенной вблизи Женевы). Опыт проводился на протон-антипротонном коллайдере — ускорителе, в котором взаимодействуют встречные пучки протонов и антипротонов, каждый из которых ускорялся до энергии 270 ГэВ. В хорошем согласии с предсказаниями теории масса бозонов оказалась равной 81 ГэВ, ГэВ (напомним, что масса нуклона равна примерно 1 ГэВ).

Промежуточные бозоны — нестабильные частицы, их время жизни составляет всего с. Несмотря на это, их рождение надежно устанавливается по природе и энергии продуктов распада. Характерные схемы распада промежуточных бозонов имеют вид

Мы знаем, что Э-распад происходит за счет слабого взаимодействия. Следовательно, в нем должен участвовать промежуточный бозон. В соответствии с этим, например, -распад нейтрона () в действительности представляет собой двухступенчатый процесс:

Итак, теория электрослабого взаимодействия получила стящее экспериментальное подтверждение. На очередь стало создание большого объединения, идея которого состоит в том, что сильное, слабое и электромагнитное взаимодействия представляют собой различные проявления одного фундаментального взаимодействия, характеризуемого одной безразмерной константой.

Энергия, необходимая для прямой проверки теории большого объединения путем реакций между частицами ГэВ), столь велика, что вряд ли будет достигнута на ускорителях в обозримое время. Однако имеется способ косвенной проверки. Дело в том, что простейший вариант теории большого объединения предсказывает распад протона. Нестабильность протона (если она есть) крайне мала. Теоретические оценки времени жизни протона дают значение лет (отметим, что время существования Вселенной порядка лет). Столь большое время жизни не исключает возможности экспериментальной проверки предсказания теории. Если время жизни составляет лет, в одном кубическом метре воды должен в течение года распадаться один протон. Пока обнаружить распад протона не удалось. Из экспериментальных данных вытекает, что время жизни протона превышает лет. Попытки зарегистрировать распад протона продолжаются. Обнаружение нестабильности протона явилось бы блестящим подтверждением теории Великого объединения.