ВСТУПИТЕЛЬНАЯ СТАТЬЯ

Теория элементарных частиц и векторные или компенсирующие поля

Д. ИВАНЕНКО

§ 1. История вопроса

Настоящий сборник посвящен одному из новейших направлений современной физики элементарных частиц: теории векторных или компенсирующих полей, все больше привлекающей внимание в самое последнее время. Первая работа в этом направлении, ставшая ныне классической и принадлежащая Янгу и Миллсу (статья 1 настоящего сборника), не обратила на себя особого внимания, хотя за ней и последовала статья Ли и Янга (статья 2), развивавшая идею сопоставления законам сохранения не только изоспина, но и барионного числа некоторых, тогда еще гипотетических, векторных полей подобно тому, как векторное электромагнитное поле сопоставляется закону сохранения заряда — тока (см. также [1]). В ряде работ Швингера, в частности в его парижских лекциях 1957 г., были высказаны близкие идеи о необходимости отыскания полей, динамически реализующих те или иные законы сохранения. Тем самым был сделан новый шаг на пути выяснения физического смысла понятий изотопического спина и изопространства, введенных первоначально Гейзенбергом (1932 г.) скорее лишь в качестве удобного способа совместного описания обоих нуклонов (протона и нейтрона) и начавших приобретать важное значение гораздо позднее, после открытия закона сохранения изоспина в системе нуклонов и -мезонов (1947 г.). Решающую роль сыграло обширное исследование Сакураи (статьи 3, 4), работающего в Ядерном институте имени Энрико Ферми в Чикаго. Заслуга Сакураи заключается, во-первых, в том, что он развил идеи Янга — Миллса — Ли и дал общую теорию векторных полей, сопоставленных всем трем новым законам сохранения: сохранения изоспина, барионного числа и странности, и тем самым соответственным свойствам инвариантности относительно вращений, фазовых преобразований и инверсий в изопространстве. Во-вторых, Сакураи связал новую теорию с обширным эмпирическим материалом из области элементарных частиц и атомных ядер и сумел, хотя бы предварительно, объяснить ряд важных,

дотоле непонятных эффектов (например, факт превращения протона и антипротона при аннигиляции не в 2, а (в среднем) в 5 -мезонов). Сакураи сделал также ряд сильных и, так сказать, «острых» предсказаний, касающихся существования новых векторных полей или соответствующих «вектопов». Все эти обстоятельства сразу привлекли внимание ко всему данному кругу проблем и в ряде лабораторий были предприняты поиски новых частиц, непосредственное проявление которых ожидалось прежде всего в виде новых резонансов определенного типа, например при рассеянии -мезонов на протонах. В этой связи мы считаем разумным назвать новые «частицы» -«резононами». Одновременно в 1961 г. были сделаны фундаментальные открытия в области резонансов в системе -мезонов (группы Альвареца, Уолкера и др.), за которыми последовала прямо-таки лавина работ, выполненных на шести-семи рекордных ускорителях нашего времени (в Брукхейвене и Беркли (США) во Фраскати (Италия), в Сакле (Франция), и в CERN (Швейцария), в ОИЯИ (Дубна) и ИТЭФ (Москва) в СССР и немногие другие) и посвященных открытию и исследованию резононов в области -мезонов, нуклонов и гиперонов (см. [2]).

Все большее число теоретиков стало присоединяться к новой точке зрения и за последние два с небольшим года в этой области появился ряд ценных исследований, в том числе некоторых наиболее авторитетных авторов: Гелл-Манна (статьи 5, 6), Салама (статьи 8, 9), Швингера (статьи 10, И, 12). Швингер сосредоточил внимание на важном вопросе о массе новых частиц, показывая, что благодаря сильному взаимодействию резононы (вектоны) могут обладать конечной массой, вопреки первоначальному предположению, что только частицы нулевой массы покоя могут соответствовать точным законам сохранения (например, числа барионов), по аналогии с фотонами (которые сопоставляются точному сохранению электрического заряда). Могло показаться, что конечная масса резононов как-то отражает неабсолютный характер законов сохранения (например, странности), действующих только в области сильных взаимодействий. Эта проблема, по-видимому, разрешенная Швингером, представляла, по мнению Сакураи, одну из основных трудностей новой теории (см. [ 112]).

Особое направление в теории векторных, компенсирующих полей представляет ее применение к гравитации. Возникает естественный вопрос о возможности трактовать гравитационное поле (сперва хотя бы слабое поле, описываемое симметричным тензором 2-го ранга и соответствующее гравитонам спина 2) по аналогии с электромагнитным векторным полем фотонов и новыми векторными полями резононов, как некоторое компенсирующее поле, сопоставленное соответствующему закону сохранения, а значит, и каким-то свойствам инвариантности.

Этот вопрос был рассмотрен независимо с разных сторон и привел к положительному результату. Выяснилось, что гравитационное поле риман-эйнштейновской общей теории относительности действительно можно рассматривать как компенсирующее, сопоставленное законам сохранения, связанным с инвариантностью относительно лоренц-преобразований (Утияма (статья 14), Бродский, Иваненко, Соколик [3 — 41, Киббл (статья 15), Фролов [5]). Отметим, что ценная работа Утиямы (1956 г.. статья 14), в которой развивается общая формальная теория компенсирующих полей и даются применения к гравитации, сперва не привлекла внимания и мимо нее прошел, например, Сакураи (см. также обзор Адамского [6]).

Отметим, что зависимость параметров преобразований в изотопическом пространстве от координат обычного 4-пространства, являющаяся фундаментальной идеей компенсационной теории, со своей стороны может рассматриваться как один из аргументов в пользу объединенного рассмотрения обоих пространств: изо -пространства.

Эта идея, высказанная ранее нами [7 — 8] и рассмотренная в несколько иных вариантах другими авторами (Райский, Юкава и др.), недавно была положена в основу новой трактовки элементарных частиц де-Бройлем с сотрудниками (Вижье, Бом, Иллион, Абвакс, Такабаяси) (91. Эти авторы строят модель релятивистского протяженного ротатора, отождествляя внутренние степени свободы с изотопическими. Они дают затем своеобразное обоснование старой теории слияния де-Бройля которая в конце концов находит наилучшую формулировку в лице нелинейной спинорной теории, поскольку нелинейность реализует взаимодействие, необходимое для слияния. Присоединяясь к нелинейной спинорной теории, школа де-Бройля, применяя мощные групповые методы, со своей стороны высказывается в пользу идей компенсационной теории. Эти фундаментальные исследования, продолженные Юкавой с сотр. 111], несомненно, также дадут повод к плодотворным дискуссиям.

Открытие резононов поставило новые задачи перед систематикой частиц, поскольку старые схеы, вообще говоря, оказались слишком ограниченными. Для целей классификации частиц и резононов в настоящее время характерно применение мощных методов теории групп при наиболее полном использовании классических трудов Картана [12] (см. также [13|) по группам Ли (см. Поэтому мы наряду с основными работами по теории компенсирующих полей даем в настоящем сборнике переводы ряда важных статей и докладов на международных конференциях, посвященных современной групповой трактовке элементарных частиц (Гелл-Манн (статья 5), Нееман (статья 7), д’Эспаньа

(статья 13)). Следует отметить, что модель Сакаты, положившего в основу систематики сильно взаимодействующих частиц протон, нейтрон и Л-гиперон, вместе с их античастицами, продолжает оставаться в центре дискуссии, хотя в ряде отношений удачной оказалась новая октетная схема Гелл-Манна. Характерно также дальнейшее развитие в тех или иных направлениях идей теории слияния де-Бройля.

Прежде всего эти идеи (де-Бройля, Вижье, Петье и других французских авторов) развиваются в другом варианте для нелинейного дираковского спинорного уравнения как в наших работах (см. [15]), так и (главным образом) в исследованиях Гейзенберга и его сотрудников (Дюрр, Миттер, Шлидер), а также Жехеньо и др. (см. [16]). Другой вариант нелинейной теории поля развивает Терлецкий [17]. Важную роль в трактовке нелинейной спинорной теории стали играть методы теории сверхпроводимости Бардина—Боголюбова (работы Намбу и Ионес-Лозиньо [18], Бладмена и Клейна [19]), Наумова [113]).

В различных статьях настоящего сборника высказываются разнообразные соображения по поводу нелинейной спинорной теории поля. С другой стороны, модели типа Сакаты развивают, на наш взгляд, иной, близкий по существу вариант слияния, предложенный в свое время Ферми и Янгом, согласно которому все бозоны образуются как тесные комбинации фермионов [20 — 22].