Барри Паркер - Мечта Эйнштейна. В поисках единой теории строения

В пять фундаментальных частиц новой теории входят три кварка разного цвета, позитрон и нейтрино. Помимо этих частиц вещества есть ещё 24 калибровочных частицы, обеспечивающие взаимодействие. С некоторыми из них мы уже знакомы – это W +, W -, Z 0и фотон из теории электрослабых взаимодействий; ещё восемь частиц – это окрашенные глюоны из квантовой хромодинамики, т.е. частицы, объединяющие кварки в адроны. Остаётся 12 новых частиц – их называют X -частицами; точно так же, как глюоны являются калибровочными частицами-переносчиками цвета, эти новые частицы – переносчики новой силы, так называемой гиперслабой. Они окрашены, имеют спин +1/3 или +4/3 и, что важнее всего, превращают кварки в лептоны и наоборот.

Введение X -частиц в теорию имеет весьма важные последствия: значит, протон, считавшийся ранее стабильным, теперь должен распадаться как минимум на две более лёгкие частицы. Сначала это может показаться странным, но ведь протон – довольно тяжёлая частица, а все тяжёлые частицы подвержены распаду. Лёгкие частицы, такие как электрон, не распадаются, но тому есть своя причина. При распаде образуются более лёгкие (менее массивные частицы), чем исходная. Этого требует закон сохранения массы (или, что то же самое, энергии) – в ходе реакции масса не может ни создаваться, ни уничтожаться. Если бы при распаде электрона образовывалась более тяжёлая частица, это означало бы, что откуда-то появилась дополнительная масса. Конечно, есть несколько частиц легче электрона – нейтрино, фотон и гравитон, тем не менее распад электрона с образованием одной из этих частиц никогда не наблюдался. Почему? Да потому, что электрон имеет заряд, а эти более лёгкие частицы нейтральны. Если бы электрон распадался на одну из таких частиц, его заряд исчезал бы, что запрещается законом сохранения заряда. Согласно этому закону, полный заряд всех участвующих в реакции частиц должен оставаться неизменным.

Поскольку закон сохранения заряда не позволяет распадаться электрону, возникает вопрос: нет ли какого-то закона сохранения, запрещающего распад протона? Оказывается, есть. Его сформулировал в 1949 году Юджин Вигнер. Он ввёл понятие так называемого барионного числа B ; лептоны и лёгкие частицы имеют барионное число, равное нулю, а барионы – единице. Согласно этому закону, полное барионное число до начала реакции должно быть таким же, как и после реакции. До недавнего времени казалось, что этот закон выполняется всегда.

Когда учёные вплотную занялись изучением различных законов сохранения, оказалось, что одни из них фундаментальнее других. Закон сохранения заряда не нарушается никогда, ни при каких обстоятельствах. А вот закон сохранения странности, например, может нарушаться – он не выполняется при слабых взаимодействиях. Так, может быть, барионное число тоже сохраняется не всегда? Если так, то протон может распадаться. В конце концов учёные пришли к выводу, что так и происходит. О том, что барионное числа не обязательно сохраняется, свидетельствуют и некоторые космологические данные. Известно, что наша Вселенная почти целиком состоит из вещества; если в ней и есть антивещество, то его крайне мало. Почему? Естественно было бы предположить, что Вселенная состоит поровну из вещества и антивещества. Известно, что сейчас это не так, но через доли секунды после Большого взрыва вещество и антивещество присутствовали в равных количествах. Если предположить, что закон сохранения барионного числа может нарушаться, то легко показать, что Вселенная вначале была симметричной по составу, а асимметрия проявилась позже. Другими словами, теория последовательно и изящно объясняет избыток вещества во Вселенной.

А на что распадается протон, если он вообще распадается? Есть несколько возможностей, одна из которых показана ниже: d -кварк превращается в позитрон, а один из u -кварков – в анти- u -кварк ( u ):

Распад протона на пион (? 0) и позитрон (e +)

Если бы нам случилось наблюдать такую реакцию, то скорее всего мы увидели бы образование позитрона ( e +) и пиона (? 0); пион, в свою очередь, через некоторое время распался бы на фотоны (?). Этот процесс выглядел бы так:

Есть и другие пути распада протона. Один из u -кварков мог бы превратиться в d -кварк с испусканием X -частицы, которая затем привела бы к превращению d -кварка в антинейтрино. Такая реакция имела бы вид: p › ? ++ ?.