Великое объединение

Драма идей в познании природы

Экстраполяция тенденций изменения констант теорий Глешоу-Вайнберга-Салама и квантовой хромодинамики в область сверхвысоких энергий приводит к выводу, что при сверхвысоких энергиях все три взаимодействия можно описать одной константой. При этих энергиях разные частицы можно рассматривать как разные состояния одной и той же частицы. Оказываются возможными любые переходы между частицами, между лептонами и кварками. Переходы между кварками различных цветов ведут к существованию цветового взаимодействия. Переходы между e и v_e (u и d) - к существованию слабого взаимодействия. Но можно, отвлекаясь от масс, говорить об общем сходстве кварков и лептонов. Такое сходство позволяет ввести ранее неизвестные векторные взаимодействия, связанные с превращением кварков в лептоны или кварков в антикварки. Эти соображения подготовили почву для следующего шага в развитии идей физики.

В теории, предложенной в 1975 году Джорджи и Глешоу, предсказывались 24 типа различных переходов между частицами. 12 из них нам уже знакомы. Это переходы - источники электромагнитного поля, трех полей (W^-, W⁺ и Z) слабого взаимодействия и восьми цветовых состояний глюонного поля. Итого 1+3+8=12, Но появляются еще 12 новых типов переходов между лептонами и кварками. Переходов, в которых не сохраняется по отдельности ни барионное, ни лептонное число. Переходов-источников "баролептонных" полей, действие которых приводит к процессам превращения кварков в лептоны. Например, к превращениям uu®d^-e⁺ или du®vd^- внутри протона. Из-за таких превращений, вызываемых действием "баролептонного" поля, могут осуществляться крайне маловероятные процессы распада протона p®e⁺p⁰ или p®p⁺v.

Кварк-лептонные переходы, источники баролептонных полей, в полную силу могут разыгрываться только при полной симметрии всех взаимодействии. Но такая симметрия может достигаться только при сверхвысоких энергиях. Теория полагается инвариантной относительно всех типов переходов, но так как экспериментально известно, что кварк-лептонные переходы очень маловероятны, для объяснения нужно предполагать, что кванты баролептонного поля должны быть очень массивными. Их масса должна быть в 10¹⁵ раз больше, чем масса протона, в 10¹³ раз превышать массу W- и Z-бозонов - квантов поля слабого взаимодействия. Поэтому распад протона оказывается очень маловероятным. А время жизни - очень большим.

Поначалу все сходилось очень удачно для теории Джорджи-Глешоу. Точка пересечения всех констант отвечала энергии 10¹⁵ гигаэлектронвольт. Этим же значением характеризовалась и энергия покоя кванта баролептонного поля. Вероятность рождения такого кванта внутри протона была очень малой, отвечала времени жизни протона 10³¹ лет.

К началу 1980-х годов ограничения на вероятность распада протона были более слабыми; из отсутствия наблюдаемых событий распада был установлен нижний предел на время жизни протона 10³⁰ лет. Время жизни частицы - характеристика вероятности ее распада. Время жизни 10³¹ лет означает, что в 10 тоннах вещества за год должен распасться один протон. Казалось, близко уже и окончательное подтверждение теории Джорджи-Глешоу.

Детальный теоретический анализ ожидаемой вероятности распада протона показывал, что в этой теории время жизни протона не может превышать 10³¹ лет. Физики обратились к большим объемам вещества и, окружив их детекторами, ожидали сигналов от продуктов распада. Но ожидания не оправдывались. К середине 1984 года нижний предел на время жизни протона составил уже 10³³ лет. Теория Джорджи-Глешоу такому ограничению не удовлетворяла. Но, наверное, этому и не следует удивляться. Было бы странно, если бы простейший вариант далекой экстраполяции к сверхвысоким энергиям оказался абсолютно точным.

В своем рассказе мы подошли к сегодняшнему дню развития физики. С его надеждой на возможность построения единой теории всех взаимодействий. Это пока надежда. Общепризнанной теории Великого объединения пока нет. Поэтому сейчас мы просто расскажем об одной красивой теоретической идее, к которой физики-теоретики постоянно возвращаются на протяжении последних 60 лет. Эта идея вселяет надежду на то, что может быть создана единая теория вообще всех фундаментальных взаимодействий, включая гравитацию.

Я.Б.Зельдович, М.Ю.Хлопов, 1988 год