Faible interaction
La physique a progressé lentement vers l’identification de l’existence de l’interaction faible. La force faible est responsable de la désintégration des particules ; et c'est pourquoi sa manifestation a été confrontée à la découverte de la radioactivité et à l'étude de la désintégration bêta.
La désintégration bêta a révélé une caractéristique extrêmement étrange. Les recherches ont conduit à la conclusion que cette désintégration semblait violer l'une des lois fondamentales de la physique : la loi de conservation de l'énergie. Il semblait qu'une partie de l'énergie disparaissait quelque part. Pour « sauver » la loi de conservation de l'énergie, W. Pauli a suggéré que lors de la désintégration bêta, une autre particule s'envole avec l'électron, emportant avec elle l'énergie manquante. Il est neutre et possède un pouvoir pénétrant inhabituellement élevé, ce qui fait qu'il n'a pas pu être observé. E. Fermi a appelé la particule invisible « neutrino ».
Mais la prévision des neutrinos n’est que le début du problème, sa formulation. Il était nécessaire d’expliquer la nature des neutrinos, mais il restait ici beaucoup de mystère. Le fait est que les électrons et les neutrinos étaient émis par des noyaux instables. Mais il a été prouvé de manière irréfutable qu’il n’existe pas de telles particules à l’intérieur des noyaux. À propos de leur apparition, il a été suggéré que les électrons et les neutrinos n’existent pas dans le noyau sous une « forme prête à l’emploi », mais qu’ils sont d’une manière ou d’une autre formés à partir de l’énergie du noyau radioactif. D'autres études ont montré que les neutrons contenus dans le noyau, laissés à eux-mêmes, se désintègrent après quelques minutes en proton, électron et neutrino, c'est-à-dire au lieu d'une particule, trois nouvelles apparaissent. L'analyse a conduit à la conclusion que les forces connues ne pouvaient pas provoquer une telle désintégration. Il a apparemment été généré par une autre force inconnue. Des recherches ont montré que cette force correspond à une interaction faible.
L'interaction faible est nettement plus petite en ampleur que toutes les interactions, à l'exception de l'interaction gravitationnelle, et dans les systèmes où elle est présente, ses effets sont éclipsés par les interactions électromagnétiques et fortes. De plus, l’interaction faible se propage sur de très petites distances. Le rayon de l’interaction faible est très petit. L'interaction faible s'arrête à une distance supérieure à 10-16 cm de la source et ne peut donc pas affecter les objets macroscopiques, mais se limite au microcosme, aux particules subatomiques. Lorsque la découverte, semblable à une avalanche, de nombreuses particules subnucléaires instables a commencé, il a été découvert que la plupart d'entre elles participaient à des interactions faibles.
Forte interaction
La dernière de la série d’interactions fondamentales est l’interaction forte, qui est une source d’énergie énorme. L’exemple le plus typique d’énergie libérée par une interaction forte est le Soleil. Dans les profondeurs du Soleil et des étoiles, des réactions thermonucléaires se produisent continuellement, provoquées par de fortes interactions. Mais l'homme a aussi appris à déclencher des interactions fortes : une bombe à hydrogène a été créée, des technologies de réactions thermonucléaires contrôlées ont été conçues et améliorées.
La physique est arrivée à l'idée de l'existence d'une interaction forte lors de l'étude de la structure du noyau atomique. Une certaine force doit retenir les protons chargés positivement dans le noyau, les empêchant de s'envoler sous l'influence de la répulsion électrostatique. La gravité est trop faible pour fournir cela ; De toute évidence, une sorte d’interaction est nécessaire, d’ailleurs plus forte qu’électromagnétique. On l'a découvert par la suite. Il s’est avéré que, bien que l’interaction forte dépasse largement toutes les autres interactions fondamentales en termes d’ampleur, elle n’est pas ressentie en dehors du noyau. Comme dans le cas de l'interaction faible, le rayon d'action de la nouvelle force s'est avéré très petit : l'interaction forte se manifeste à une distance déterminée par la taille du noyau, c'est-à-dire environ 10 à 13 cm. De plus, il s'est avéré que toutes les particules ne subissent pas une forte interaction. Ainsi, les protons et les neutrons en font l’expérience, mais les électrons, les neutrinos et les photons n’y sont pas soumis. Habituellement, seules les particules lourdes participent aux interactions fortes. Il est responsable de la formation des noyaux et de nombreuses interactions de particules élémentaires.
L’explication théorique de la nature de l’interaction forte a été difficile à développer. Une percée n'est apparue qu'au début des années 60, lorsque le modèle des quarks a été proposé. Dans cette théorie, les neutrons et les protons ne sont pas considérés comme des particules élémentaires, mais comme des systèmes composites construits à partir de quarks.
Ainsi, dans les interactions physiques fondamentales, la différence entre les forces à longue et à courte portée est clairement visible. D'une part, des interactions de rayon illimité (gravité, électromagnétisme), et d'autre part, de petit rayon (fort et faible). Le monde des processus physiques se déroule à l'intérieur des limites de ces deux polarités et est l'incarnation de l'unité de l'extrêmement petit et de l'extrêmement grand : action à courte portée dans le micromonde et action à longue portée dans tout l'Univers.
FAIBLE INTERACTION- l'une des quatre fondations connues. interactions entre . S.v. Beaucoup plus faible que fort et el-magnétique. interactions, mais beaucoup plus fortes que les interactions gravitationnelles. Dans les années 80 Il a été établi que faible et el-magn. interactions - diff. manifestations d'un seul interaction électrofaible.
L’intensité des interactions peut être jugée par la rapidité des processus qu’elles provoquent. Habituellement, les vitesses des processus sont comparées les unes aux autres à des énergies de GeV, caractéristiques de la physique des particules élémentaires. À de telles énergies, le processus provoqué par la forte interaction se produit en un temps s, el-magn. processus dans le temps, temps caractéristique des processus se produisant du fait de l’énergie solaire. (processus faibles), bien plus encore : c, de sorte que dans le monde des particules élémentaires, les processus faibles se déroulent extrêmement lentement.
Une autre caractéristique de l’interaction concerne les particules dans la matière. Les particules en interaction forte (hadrons) peuvent être retenues par une plaque de fer de plusieurs épaisseurs. dizaines de centimètres, alors qu'un neutrino, qui ne possède qu'une forte vitesse, traverserait, sans subir une seule collision, une plaque de fer d'une épaisseur d'environ un milliard de kilomètres. La gravité est encore plus faible. interaction dont la force à une énergie de ~1 GeV est 10 33 fois inférieure à celle de S. v. Cependant, le rôle de la gravité est généralement joué. les interactions sont beaucoup plus visibles que le rôle du S. siècle. Cela est dû au fait que la gravitation l'interaction, comme l'interaction électromagnétique, a un champ d'action infiniment large ; ainsi, par exemple, les forces gravitationnelles agissent sur les corps situés à la surface de la Terre. l'attraction de tous les atomes qui composent la Terre. L'interaction faible a un rayon d'action très court : env. 2*10 -16 cm (ce qui est trois ordres de grandeur inférieur au rayon de forte interaction). En conséquence, par exemple, S. v. entre les noyaux de deux atomes voisins situés à une distance de 10 à 8 cm est négligeable, incomparablement plus faible non seulement celui électromagnétique, mais aussi celui gravitationnel. interactions entre eux.
Cependant, malgré la petite taille et l'action courte, S. siècle. joue un rôle très important dans la nature. Ainsi, s'il était possible de « désactiver » l'énergie solaire, le Soleil s'éteindrait, car le processus de conversion d'un proton en neutron, positron et neutrino serait impossible, ce qui ferait que quatre protons se transformeraient en 4. Lui, deux positons et deux neutrinos. Ce processus constitue le principal source d'énergie du Soleil et de la plupart des étoiles (voir Cycle de l'hydrogène). Processus du S. siècle. avec l'émission de neutrinos sont généralement extrêmement importants dans évolution des étoiles, car ils provoquent des pertes d'énergie dans les étoiles très chaudes, dans les explosions de supernova avec formation de pulsars, etc. S'il n'y avait pas de rayonnement solaire, les muons et les mésons, étranges et charmés, seraient stables et répandus dans les particules de matière ordinaire qui se désintègrent comme un résultat du S. siècle. Un rôle aussi important de SE est dû au fait qu'il n'est pas soumis à un certain nombre d'interdictions caractéristiques d'un pouvoir fort et magnétique. interactions. En particulier, S. c. transforme les leptons chargés en neutrinos et un type (saveur) en quarks d'autres types.
L'intensité des processus faibles augmente rapidement avec l'augmentation de l'énergie. Donc, désintégration bêta des neutrons, la libération d'énergie dans Krom est faible (~ 1 MeV), dure env. 10 3 s, soit 10 13 fois supérieure à la durée de vie d'un hypéron, l'énergie libérée lors de sa désintégration est d'environ 100 MeV. La section efficace d'interaction avec les nucléons pour les neutrinos d'une énergie d'environ 100 GeV est d'env. un million de fois plus que pour les neutrinos d'énergie ~1 MeV. Selon la théorie concepts, la croissance de la section efficace se poursuivra jusqu'à des énergies de l'ordre de plusieurs. des centaines de GeV (dans le système du centre d'inertie des particules en collision). A ces énergies et à de grands transferts de quantité de mouvement, les effets associés à l'existence de bosons vecteurs intermédiaires. À des distances entre particules en collision bien inférieures à 2*10 -16 cm (la longueur d'onde Compton des bosons intermédiaires), S.v. et el-magn. les interactions ont presque la même intensité.
Naïb. un processus commun provoqué par S. siècle - désintégration bêta noyaux atomiques radioactifs. En 1934, E. Fermi élabore une théorie de la décomposition impliquant certaines créatures. les modifications ont constitué la base de la théorie ultérieure de la soi-disant. système local universel à quatre fermions. (Interactions de Fermi). Selon la théorie de Fermi, l'électron et le neutrino (plus précisément) s'échappant du noyau radioactif n'y étaient pas auparavant, mais sont apparus au moment de la désintégration. Ce phénomène est similaire à l'émission de photons de basse énergie (lumière visible) par des atomes excités ou de photons de haute énergie (quanta) par des noyaux excités. La raison de ces processus est l’interaction de l’électricité. particules avec el-magn. champ : une particule chargée en mouvement crée un courant électromagnétique, qui perturbe l’aimant électrique. champ; À la suite de l'interaction, la particule transfère de l'énergie aux quanta de ce champ - les photons. Interaction des photons avec el-magn. le courant est décrit par l'expression UN. Ici e- électrique élémentaire charge, qui est un el-magn constant. interactions (voir Constante d'interaction), A- opérateur de champ de photons (c'est-à-dire l'opérateur de création et d'annihilation de photons), j em - opérateur de densité el-magn. actuel (Souvent, l'expression du courant électromagnétique inclut également le multiplicateur e.) Toutes les charges contribuent à j em. particules. Par exemple, le terme correspondant à l'électron a la forme : où est l'opérateur de l'annihilation d'un électron ou de la naissance d'un positron, et est l'opérateur de la naissance d'un électron ou de l'annihilation d'un positron. [Par souci de simplicité, il n'est pas montré ci-dessus que j em, ainsi que UN, est un vecteur à quatre dimensions. Plus précisément, vous devriez plutôt écrire un ensemble de quatre expressions où - Matrice de Dirac,= 0, 1, 2, 3. Chacune de ces expressions est multipliée par la composante correspondante du vecteur à quatre dimensions.]
L'interaction décrit non seulement l'émission et l'absorption de photons par les électrons et les positons, mais également des processus tels que la création de paires électron-positron par les photons (voir. Naissance des couples)ou annihilation ces paires en photons. Échange de photons entre deux charges. les particules conduisent à leur interaction les unes avec les autres. En conséquence, par exemple, il se produit une diffusion d'un électron par un proton, ce qui est représenté schématiquement Diagramme de Feynman, présenté sur la fig. 1. Lorsqu'un proton dans le noyau passe d'un niveau à un autre, la même interaction peut conduire à la naissance d'une paire électron-positon (Fig. 2).
La théorie de la désintégration de Fermi est essentiellement similaire à la théorie électro-magnétique. processus. Fermi a basé sa théorie sur l’interaction de deux « courants faibles » (voir. Actuel dans la théorie quantique des champs), mais interagissant les uns avec les autres non pas à distance en échangeant une particule - un champ quantique (photon dans le cas d'une interaction électromagnétique), mais par contact. Il s’agit de l’interaction entre quatre champs de fermions (quatre fermions p, n, e et neutrino v) à l’époque moderne. la notation a la forme : . Ici G F- Constante de Fermi, ou constante d'interaction faible à quatre fermions, expérimentale. valeur coupe erg*cm 3 (la valeur a la dimension du carré de la longueur, et en unités est une constante, où M.- masse de protons), - opérateur de naissance de protons (annihilation d'antiprotons), - opérateur d'annihilation de neutrons (naissance d'antineutrons), - opérateur de naissance d'électrons (annihilation de positons), v
- opérateur de destruction des neutrinos (naissance des antineutrinos). (Ici et désormais, les opérateurs de création et d'annihilation de particules sont indiqués par les symboles des particules correspondantes, tapés en gras.) Le courant qui convertit un neutron en proton fut ensuite appelé nucléon, et le courant - lepton. Fermi a postulé cela, comme un el-magn. courant, les courants faibles sont également des vecteurs à quatre dimensions : c'est pourquoi l'interaction de Fermi est appelée. vecteur.
Semblable à la naissance d'une paire électron-positon (Fig. 2), la désintégration d'un neutron peut être décrite par un diagramme similaire (Fig. 3) [les antiparticules sont marquées d'un symbole « tilde » au-dessus des symboles des particules correspondantes ]. L’interaction des courants de leptons et de nucléons devrait par exemple conduire à d’autres processus. à la réaction (Fig. 4), à la vapeur (Fig. 5), etc.
Créatures La différence entre les courants faibles et les courants électromagnétiques est qu’un courant faible modifie la charge des particules, tandis qu’un courant électrique modifie la charge des particules. le courant ne change pas : un courant faible transforme un neutron en proton, un électron en neutrino, et un courant électromagnétique laisse un proton en proton et un électron en électron. Par conséquent, les tokii ev faibles sont appelés. courants chargés. Selon cette terminologie, un aimant électrique ordinaire. son courant est courant neutre.
La théorie de Fermi était basée sur les résultats de trois études différentes. domaines : 1) expérimental. recherche du S. siècle lui-même (-désintégration), qui a conduit à l'hypothèse de l'existence de neutrinos ; 2) expérimenter. les recherches sur la force forte (), qui ont conduit à la découverte des protons et des neutrons et à comprendre que les noyaux sont constitués de ces particules ; 3) expérimenter. et théorique recherche électro-magnétique interactions, à la suite desquelles les bases de la théorie quantique des champs ont été posées. Le développement ultérieur de la physique des particules élémentaires a confirmé à plusieurs reprises l'interdépendance fructueuse de la recherche sur les champs magnétiques forts, faibles et électromagnétiques. interactions.
La théorie du sv universel à quatre fermions. diffère de la théorie de Fermi sur un certain nombre de points et de manières. Ces différences, établies au cours des années suivantes grâce à l'étude des particules élémentaires, se résumaient aux éléments suivants.
L'hypothèse selon laquelle S. v. ne préserve pas la parité, a été proposée par Lee Tsung-Dao et Yang Chen Ning en 1956 avec des arguments théoriques. recherche sur la carie Mésons K ; bientôt un échec R.- et les parités C ont été découvertes expérimentalement dans la désintégration des noyaux [Bu Chien-Shiung et collaborateurs], dans la désintégration du muon [R. Garwin (R. Garwin), L. Lederman (L. Lederman), V. Telegdi (V. Telegdi), J. Friedman (J. Friedman), etc.] et dans la désintégration d'autres particules.
Résumer une énorme expérience. matériel, M. Gell-Mann, P. Feynman, P. Marshak et E. Sudarshan ont proposé en 1957 la théorie du S. v. universel - ce qu'on appelle V- UN-théorie. Dans une formulation basée sur la structure des quarks des hadrons, cette théorie est que le courant chargé faible total j u est la somme des courants de leptons et de quarks, chacun de ces courants élémentaires contenant la même combinaison de matrices de Dirac :
Comme il s'est avéré plus tard, le chargeur. Le courant leptonique, représenté dans la théorie de Fermi par un terme, est la somme de trois termes : chacun d'eux a une charge connue. leptons (électrons, muons et lepton lourd) est inclus dans le tarif. actuel avec votre neutrino.
Charge le courant hadronique, représenté par le terme dans la théorie de Fermi, est la somme des courants de quarks. En 1992, cinq types de quarks étaient connus , à partir duquel tous les hadrons connus sont construits, et l'existence d'un sixième quark est supposée ( t Avec Q=+ 2/3). Les courants de quarks chargés, ainsi que les courants de leptons, s'écrivent généralement comme la somme de trois termes :
Cependant, voici des combinaisons linéaires d'opérateurs d, s, b, le courant chargé du quark se compose donc de neuf termes. Chacun des courants est la somme des courants vectoriels et axiaux avec des coefficients égaux à l'unité.
Les coefficients de neuf courants de quarks chargés sont généralement représentés sous la forme d'une matrice 3x3 dont les bords sont paramétrés par trois angles et un facteur de phase caractérisant la perturbation. Invariance CP dans les désintégrations faibles. Cette matrice s'appelle Kobayashi - Matrices Maskawa (M. Kobayashi, T. Maskawa).
Lagrangien S. v. les courants chargés ont la forme :
Mangeur, conjugué, etc.). Cette interaction de courants chargés décrit quantitativement un grand nombre de processus faibles : leptoniques, semi-leptoniques (, etc.) et non leptoniques (,, etc.). Beaucoup de ces processus ont été découverts après 1957. Au cours de cette période, deux phénomènes fondamentalement nouveaux ont également été découverts : la violation de l'invariance CP et les courants neutres.
La violation de l'invariance de CP a été découverte en 1964 dans une expérience de J. Christenson, J. Cronin, V. Fitch et R. Turley, qui ont observé la désintégration des mésons K° à longue durée de vie en deux mésons. Plus tard, une violation de l'invariance de CP a également été observée dans les désintégrations semileptoniques. Pour clarifier la nature de l’interaction CP-non-invariante, il serait extrêmement important de trouver k-l. Processus CP non invariant dans les désintégrations ou les interactions d'autres particules. En particulier, la recherche du moment dipolaire du neutron est d'un grand intérêt (dont la présence signifierait une violation de l'invariance par rapport à inversion du temps, et donc, d'après le théorème SRT, et invariance CP).
L'existence de courants neutres a été prédite par la théorie unifiée des courants faibles et électriques. interactions créées dans les années 60. Sh. Glashow, S. Weinberg, A. Salam et d'autres ont reçu plus tard ce nom. théorie standard de l'interaction électrofaible. Selon cette théorie, S. v. n'est pas une interaction de contact de courants, mais se produit par l'échange de bosons vecteurs intermédiaires ( W + , W - , Z 0) - particules massives de spin 1. Dans ce cas, les bosons effectuent une interaction de charge. courants (Fig. 6), et Z 0-les bosons sont neutres (Fig. 7). Dans la théorie standard, trois bosons intermédiaires et un photon sont des quanta vectoriels, appelés. champs de jauge, agissant lors de transferts asymptotiquement importants de quantité de mouvement à quatre dimensions ( , mz, Où m w , m z- les messes W- et les bosons Z en énergie. unités) sont complètement égales. Les courants neutres ont été découverts en 1973 lors de l'interaction des neutrinos et des antineutrinos avec les nucléons. Plus tard, les processus de diffusion d'un neutrino muonique par un électron ont été découverts, ainsi que les effets de non-conservation de parité dans l'interaction des électrons avec des nucléons, provoqués par le courant électronique neutre (ces effets ont été observés pour la première fois dans des expériences sur la non-conservation de parité dans transitions atomiques menées à Novossibirsk par L. M. Barkov et M. S. Zolotorev, ainsi que dans des expériences sur la diffusion d'électrons sur des protons et des deutons aux États-Unis).
L'interaction des courants neutres est décrite par le terme correspondant dans le lagrangien S.V.
où est un paramètre sans dimension. Dans la théorie standard (la valeur expérimentale p coïncide avec 1 à un pour cent près de la précision expérimentale et de la précision du calcul corrections de rayonnement). Le courant neutre faible total contient les contributions de tous les leptons et de tous les quarks :
Une propriété très importante des courants neutres est qu’ils sont diagonaux, c’est-à-dire qu’ils transfèrent les leptons (et les quarks) vers eux-mêmes, et non vers d’autres leptons (quarks), comme c’est le cas avec les courants chargés. Chacun des 12 courants neutres de quarks et de leptons est une combinaison linéaire du courant axial avec un coefficient. je 3 et courant vectoriel avec coefficient. , Où je 3- troisième projection de la soi-disant. faible spin isotopique, Q- la charge des particules, et - Angle de Weinberg.
La nécessité de l'existence de quatre champs vectoriels de bosons intermédiaires W + , W -, Z 0 et photons UN peut être expliqué ensuite. chemin. Comme on le sait, à el-magn. interaction électrique la charge joue un double rôle : d’une part, elle est une quantité conservée, et d’autre part, elle est une source d’énergie électromagnétique. champ qui interagit entre les particules chargées (constante d'interaction e). C'est le rôle de l'électricité. la charge est fournie par une jauge, ce qui consiste dans le fait que les équations de la théorie ne changent pas lorsque les fonctions d'onde des particules chargées sont multipliées par un facteur de phase arbitraire en fonction du point espace-temps [local symétrie U(1)], et en même temps el-magn. le champ, qui est un champ de jauge, subit une transformation. Transformations des groupes locaux U(1) avec un type de charge et un champ de jauge faisant la navette entre eux (un tel groupe est appelé Abélien). La propriété spécifiée est électrique. La charge a servi de point de départ à la construction de théories et d’autres types d’interactions. Dans ces théories, les quantités conservées (par exemple le spin isotopique) sont simultanément sources de certains champs de jauge qui transfèrent les interactions entre les particules. Dans le cas de plusieurs types de « charges » (par exemple, différentes projections de spin isotopique), lorsqu’elles sont séparées. les transformations ne commutent pas entre elles (un groupe de transformations non abéliennes), il s'avère qu'il faut en introduire plusieurs. champs de jauge. (Les multiples de champs de jauge correspondant aux symétries locales non abéliennes sont appelés Champs Young-Mills.) En particulier, donc isotopique. spin [auquel le groupe local répond SU(2)] a agi comme une constante d'interaction, trois champs de jauge avec des charges 1 et 0 sont nécessaires depuis le S. siècle. des courants chargés de paires de particules sont impliqués, etc., on pense que ces paires sont des doublets du groupe isospin faible, c'est-à-dire le groupe UM(2). Invariance de la théorie sous transformations de groupes locaux S.U.(2) nécessite, comme indiqué, l'existence d'un triplet de champs de jauge sans masse F+, W - , W 0, dont la source est un isospin faible (constante d'interaction g). Par analogie avec l'interaction forte, dans laquelle hypercharge Y particules incluses dans l’isotope. multiplet, déterminé par f-loy Q = je 3 + A/2(Où je 3- troisième projection isospin, une Q- électrique charge), avec une faible isospin, une faible hypercharge est introduite. Puis économiser de l'électricité. charge et isospin faible correspond à la conservation de l'hypercharge faible [groupe [ U(1)]. Une hypercharge faible est source d’un champ de jauge neutre B 0(constante d'interaction g"). Deux superpositions linéaires de champs mutuellement orthogonales B° Et W° décrire le champ de photons UN et le champ du boson Z :
Où . C'est l'amplitude de l'angle qui détermine la structure des courants neutres. Il définit également la relation entre la constante g, qui caractérise l'interaction des bosons avec un courant faible, et la constante e, caractérisant l'interaction d'un photon avec l'électricité. choc électrique :
Pour que S. puisse était de nature à courte portée, les bosons intermédiaires doivent être massifs, tandis que les quanta des champs de jauge d'origine sont sans masse. Selon la théorie standard, l’apparition de masse dans les bosons intermédiaires se produit lorsque rupture spontanée de symétrie SU(2) X U(1)à U(1) em. De plus, une des superpositions de champs B 0 Et W 0- photons ( UN) reste sans masse, les bosons a et Z acquièrent des masses :
Expérimentons. des données sur les courants neutres ont été fournies. Les masses attendues correspondaient à cela W- et les bosons Z, respectivement, et
Pour la détection W- et les bosons Z ont été spécialement créés. installations dans lesquelles ces bosons naissent lors de collisions de faisceaux de haute énergie en collision. La première installation est entrée en service en 1981 au CERN. En 1983, des rapports sont apparus sur la détection des premiers cas de production de bosons vecteurs intermédiaires au CERN. Les données sur les naissances ont été publiées en 1989 W- Et Z-bosons au collisionneur proton-antiproton américain - Tevatron, au Laboratoire national des accélérateurs Fermi (FNAL). K con. années 1980 numéro complet W- et les bosons Z observés dans les collisionneurs proton-antiproton du CERN et du FNAL se comptent par centaines.
En 1989, les collisionneurs électron-positroïne LEP du CERN et SLC du Stanford Linear Accelerator Center (SLAC) ont commencé à fonctionner. Les travaux du LEP ont été particulièrement réussis : au début de 1991, plus d'un demi-million de cas de création et de désintégration de bosons Z ont été enregistrés. L’étude des désintégrations du boson Z a montré qu’aucun autre neutrino, à l’exception de ceux connus précédemment, n’existe dans la nature. La masse du boson Z a été mesurée avec une grande précision : t z = 91,173 0,020 GeV (la masse du boson W est connue avec une précision bien pire : m w= 80 220,26 GeV). Étudier les propriétés W- et les bosons Z ont confirmé l'exactitude de l'idée de base (de jauge) de la théorie standard de l'interaction électrofaible. Cependant, pour tester pleinement la théorie, il est également nécessaire d’étudier expérimentalement le mécanisme de rupture spontanée de symétrie. Dans le cadre de la théorie standard, la source de rupture spontanée de symétrie est un champ scalaire isodoublet spécial, qui a une l'auto-action, où est une constante sans dimension, et la constante h a la dimension de la masse. L’énergie d’interaction minimale est atteinte à l’énergie la plus basse. state - vide - contient une valeur de champ de vide non nulle. Si ce mécanisme de rupture de symétrie se produit réellement dans la nature, alors il devrait y avoir des bosons scalaires élémentaires - ce qu'on appelle. Boson de Higgs(Quanta du champ de Higgs). La théorie standard prédit l’existence d’au moins un boson scalaire (il doit être neutre). Il existe plusieurs versions plus complexes de la théorie. de telles particules, et certaines d'entre elles sont chargées (c'est possible). Contrairement aux bosons intermédiaires, les masses des bosons de Higgs ne sont pas prédites par la théorie.
La théorie de jauge de l'interaction électrofaible est renormalisable : cela signifie notamment que les amplitudes des interactions faibles et électro-magnétiques sont renormalisables. les processus peuvent être calculés à l'aide de la théorie des perturbations, et les corrections les plus élevées sont faibles, comme dans le quantum ordinaire (voir. Renormalisabilité). (En revanche, la théorie des quatre fermions de la vitesse variable n'est pas renormalisable et n'est pas une théorie cohérente en interne.)
Il y a des théories modèles Grande Unification, dans lequel le groupe d'interaction électrofaible et le groupe SU(3)les interactions fortes sont des sous-groupes d'un seul groupe, caractérisés par une constante d'interaction de jauge unique. Dans encore plus de fonds. modèles, ces interactions sont combinées avec des interactions gravitationnelles (dites superunion).
Lit. : Dans Ts., Moshkovsky S. A., Désintégration bêta, trans. de l'anglais, M., 1970 ; Weinberg S., Théories unifiées de l'interaction des particules élémentaires, trans. de l'anglais, UFN, 1976, vol. 118, v. 3, p. 505 ; Taylor J., Théories de jauge des interactions faibles, trans. de l'anglais, M., 1978 ; En route vers une théorie unifiée des champs. Assis. art., traductions, M., 1980 ; Okun L. B., Leptons et quarks, 2e éd., M., 1990. L.B. Okun.
En 1896, le scientifique français Henri Becquerel découvre la radioactivité de l'uranium. Il s’agissait du premier signal expérimental sur des forces de la nature jusqu’alors inconnues – une interaction faible. Nous savons maintenant que la force faible est à l'origine de nombreux phénomènes familiers. Par exemple, elle est impliquée dans certaines réactions thermonucléaires qui soutiennent le rayonnement du Soleil et d'autres étoiles.
Le nom « faible » est venu pour cette interaction en raison d'un malentendu - par exemple, pour un proton, il est 1033 fois plus fort que l'interaction gravitationnelle (voir Gravité, Unité des forces de la nature). Il s’agit plutôt d’une interaction destructrice, la seule force de la nature qui ne maintient pas la substance ensemble, mais la détruit seulement. On pourrait aussi la qualifier de « sans principes », car dans la destruction elle ne prend pas en compte les principes de parité spatiale et de réversibilité temporelle, qui sont observés par d’autres forces.
Les propriétés fondamentales de l'interaction faible ont été connues dans les années 1930, principalement grâce aux travaux du physicien italien E. Fermi. Il s’est avéré que, contrairement aux forces gravitationnelles et électriques, les forces faibles ont un rayon d’action très court. Au cours de ces années, il semblait qu'il n'y avait aucun rayon d'action - l'interaction avait lieu en un point de l'espace et, de plus, instantanément. Cette interaction transforme virtuellement (pendant une courte période) chaque proton du noyau en neutron, un positron en positron et neutrino, et chaque neutron en proton, électron et antineutrino. Dans les noyaux stables (voir Noyau atomique), ces transformations restent virtuelles, comme la création virtuelle de paires électron-positon ou proton-antiproton dans le vide. Si la différence entre les masses des noyaux qui diffèrent d'un en charge est suffisamment grande, ces transformations virtuelles deviennent réelles et le noyau change sa charge de 1, émettant un électron et un antineutrino (désintégration β électronique) ou un positon et un neutrino (désintégration β du positron). Les neutrons ont une masse qui dépasse d'environ 1 MeV la somme des masses d'un proton et d'un électron. Ainsi, un neutron libre se désintègre en un proton, un électron et un antineutrino, libérant ainsi une énergie d’environ 1 MeV. La durée de vie d'un neutron libre est d'environ 10 minutes, bien que dans un état lié, par exemple dans le deuton, constitué d'un neutron et d'un proton, ces particules vivent indéfiniment.
Un événement similaire se produit avec le muon (voir Leptons) : il se désintègre en électron, neutrino et antineutrino. Avant de se désintégrer, un muon vit environ 10 à 6 s, soit bien moins qu'un neutron. La théorie de Fermi expliquait cela par la différence de masse des particules impliquées. Plus il y a d’énergie libérée pendant la désintégration, plus elle va vite. L'énergie libérée lors de la désintégration µ est d'environ 100 MeV, soit environ 100 fois supérieure à celle générée lors de la désintégration des neutrons. La durée de vie d'une particule est inversement proportionnelle à la puissance cinquième de cette énergie.
Comme il s’est avéré au cours des dernières décennies, l’interaction faible n’est pas locale, c’est-à-dire qu’elle ne se produit pas instantanément ni à un moment donné. Selon la théorie moderne, l'interaction faible ne se transmet pas instantanément, mais une paire virtuelle électron-antineutrino naît 10 à 26 secondes après que le muon se transforme en neutrino, et cela se produit à une distance de 10 à 16 cm. Bien entendu, aucun microscope ne peut mesurer une distance aussi petite, tout comme aucun chronomètre ne peut mesurer un intervalle de temps aussi petit. Comme c’est presque toujours le cas, en physique moderne, nous devons nous contenter de données indirectes. Les physiciens élaborent diverses hypothèses sur le mécanisme du processus et testent toutes sortes de conséquences de ces hypothèses. Les hypothèses qui contredisent au moins une expérience fiable sont rejetées et de nouvelles expériences sont réalisées pour tester les autres. Ce processus, dans le cas de l'interaction faible, s'est poursuivi pendant environ 40 ans, jusqu'à ce que les physiciens soient convaincus que l'interaction faible était portée par des particules supermassives - 100 fois plus lourdes que le proton. Ces particules ont un spin de 1 et sont appelées bosons vecteurs (découverts en 1983 au CERN, Suisse - France).
Il existe deux bosons vecteurs chargés W + , W - et un boson neutre Z 0 (l'icône en haut, comme d'habitude, indique la charge en unités de protons). Le boson vecteur chargé W - « travaille » dans les désintégrations du neutron et du muon. Le déroulement de la désintégration du muon est illustré sur la Fig. (en haut, à droite). De tels dessins sont appelés diagrammes de Feynman ; ils illustrent non seulement le processus, mais aident également à le calculer. C'est une sorte de raccourci pour la formule de la probabilité d'une réaction ; il est utilisé ici uniquement à des fins d’illustration.
Le muon se transforme en neutrino, émettant un boson W, qui se désintègre en électron et en antineutrino. L’énergie libérée n’est pas suffisante pour la naissance réelle du boson W, il naît donc virtuellement, c’est-à-dire pour une durée très courte. Dans ce cas, c'est 10 -26 s. Pendant ce temps, le champ correspondant au boson W n'a pas le temps de former une onde, ou au contraire, une véritable particule (voir Champs et particules). Un caillot de champ d'une taille de 10 à 16 cm se forme et après 10 à 26 s, un électron et un antineutrino en naissent.
Pour la désintégration d'un neutron, il serait possible de tracer le même diagramme, mais ici cela nous induirait déjà en erreur. Le fait est que la taille d'un neutron est de 10 à 13 cm, ce qui est 1 000 fois plus grand que le rayon d'action des forces faibles. Ces forces agissent donc à l’intérieur du neutron, là où se trouvent les quarks. L'un des trois quarks à neutrons émet un boson W et se transforme en un autre quark. Les charges des quarks dans un neutron sont -1/3, -1/3 et +2/3, de sorte que l'un des deux quarks ayant une charge négative de -1/3 devient un quark ayant une charge positive de +2/ 3. Le résultat sera des quarks de charges -1/3, 2/3, 2/3, qui constituent ensemble un proton. Les produits de réaction - électron et antineutrino - s'échappent librement du proton. Mais le quark qui a émis le boson W a subi un recul et a commencé à se déplacer dans la direction opposée. Pourquoi ne s'envole-t-il pas ?
Il est tenu par une forte interaction. Cette interaction entraînera le quark avec ses deux compagnons inséparables, ce qui donnera lieu à un proton en mouvement. Selon un schéma similaire, de faibles désintégrations (associées à une faible interaction) des hadrons restants se produisent. Ils se résument tous à l'émission d'un boson vecteur par l'un des quarks, à la transition de ce boson vecteur en leptons (particules μ-, e-, τ- et ν) et à l'expansion ultérieure des produits de réaction.
Parfois, cependant, des désintégrations hadroniques se produisent également : un boson vecteur peut se désintégrer en une paire quark-antiquark, qui se transformera en mésons.
Ainsi, un grand nombre de réactions différentes se résument à l'interaction des quarks et des leptons avec les bosons vecteurs. Cette interaction est universelle, c’est-à-dire qu’elle est la même pour les quarks et les leptons. L'universalité de l'interaction faible, contrairement à l'universalité de l'interaction gravitationnelle ou électromagnétique, n'a pas encore reçu d'explication complète. Dans les théories modernes, l'interaction faible est combinée avec l'interaction électromagnétique (voir Unité des forces de la nature).
Sur la rupture de symétrie par l'interaction faible, voir Parité, Neutrinos. L'article L'unité des forces de la nature parle de la place des forces faibles dans l'image du micromonde.
Il s’agit de la troisième interaction fondamentale, existant uniquement dans le microcosme. Il est responsable de la transformation de certaines particules de fermions en d'autres, tandis que la couleur des peptons et des quarks en interaction faible ne change pas. Un exemple typique d’interaction faible est le processus de désintégration bêta, au cours duquel un neutron libre se désintègre en un proton, un électron et un antineutrino électronique en 15 minutes en moyenne. La désintégration est provoquée par la transformation d'un quark de saveur d en un quark de saveur u à l'intérieur du neutron. L'électron émis assure la conservation de la charge électrique totale, et l'antineutrino permet de préserver l'impulsion mécanique totale du système.
Forte interaction
La fonction principale de l’interaction forte est de combiner les quarks et les antiquarks en hadrons. La théorie des interactions fortes est en train de se créer. Il s’agit d’une théorie de champ typique appelée chromodynamique quantique. Son point de départ est le postulat de l'existence de trois types de charges colorées (rouge, bleue, verte), exprimant la capacité inhérente de la matière à unir les quarks en interaction forte. Chacun des quarks contient une combinaison de telles charges, mais leur compensation mutuelle complète ne se produit pas et le quark a une couleur résultante, c'est-à-dire qu'il conserve la capacité d'interagir fortement avec d'autres quarks. Mais lorsque trois quarks, ou un quark et un antiquark, se combinent pour former un hadron, la combinaison nette de charges de couleur qu'il contient est telle que le hadron dans son ensemble est de couleur neutre. Les charges de couleur créent des champs avec leurs quanta-bosons inhérents. L'échange de bosons de couleur virtuels entre quarks et/ou antiquarks sert de base matérielle à cette forte interaction. Avant la découverte des quarks et des interactions de couleurs, la force nucléaire qui unit les protons et les neutrons dans les noyaux des atomes était considérée comme fondamentale. Avec la découverte du niveau de matière des quarks, l'interaction forte a commencé à être comprise comme des interactions de couleurs entre les quarks se combinant en hadrons. Les forces nucléaires ne sont plus considérées comme fondamentales ; elles doivent en quelque sorte s’exprimer à travers des forces colorées. Mais ce n’est pas facile à faire, car les baryons (protons et neutrons) qui composent le noyau sont généralement de couleur neutre. Par analogie, on peut rappeler que les atomes dans leur ensemble sont électriquement neutres, mais qu’au niveau moléculaire des forces chimiques apparaissent, considérées comme des échos des forces atomiques électriques.
Les quatre types d’interactions fondamentales considérées sont à la base de toutes les autres formes connues de mouvement de la matière, y compris celles apparues à des stades supérieurs de développement. Toute forme complexe de mouvement, lorsqu'elle est décomposée en composants structurels, se révèle comme des modifications complexes de ces interactions fondamentales.
2. Développement de vues scientifiques sur l'interaction des particules avant la création évolutive de la théorie de la « Grande Unification »
La théorie de la « Grande Unification » est une théorie qui unifie les interactions électromagnétiques, fortes et faibles. En mentionnant la théorie de la « Grande Unification », nous parlons du fait que toutes les forces qui existent dans la nature sont une manifestation d'une force fondamentale universelle. Un certain nombre de considérations permettent de croire qu'au moment du Big Bang, qui a donné naissance à notre univers, seule cette force existait. Cependant, au fil du temps, l’univers s’est élargi, ce qui signifie qu’il s’est refroidi, et la force unique s’est divisée en plusieurs forces différentes, que nous observons maintenant. La théorie de la « Grande Unification » décrirait les forces électromagnétiques, fortes, faibles et gravitationnelles comme des manifestations d’une force universelle. Des progrès ont déjà été réalisés : les scientifiques ont réussi à construire une théorie combinant interactions électromagnétiques et faibles. Cependant, les principaux travaux sur la théorie de la « Grande Unification » sont encore à venir.
La physique des particules moderne est obligée de discuter de questions qui, en fait, préoccupaient les penseurs anciens. Quelle est l’origine des particules et des atomes chimiques construits à partir de ces particules ? Et comment le Cosmos, l’Univers visible pour nous, peut-il être construit à partir de particules, quel que soit le nom que nous leur donnons ? Et aussi : l’Univers a-t-il été créé ou existe-t-il depuis l’éternité ? Si l’on peut se poser cette question, quelles sont les pistes de réflexion qui peuvent conduire à des réponses convaincantes ? Toutes ces questions s’apparentent à la recherche des véritables principes de l’existence, des questions sur la nature de ces principes.
Quoi que nous disons du Cosmos, une chose est claire : tout dans le monde naturel est constitué de particules d’une manière ou d’une autre. Mais comment comprendre cette composition ? On sait que les particules interagissent : elles s’attirent ou se repoussent. La physique des particules étudie diverses interactions. [Popper K. Sur les sources de la connaissance et de l'ignorance // Vopr. histoire des sciences naturelles et de la technologie, 1992, n° 3, p. 32.]
L’interaction électromagnétique a attiré une attention particulière aux XVIIIe et XIXe siècles. Des similitudes et des différences entre les interactions électromagnétiques et gravitationnelles ont été découvertes. Comme la gravité, les forces électromagnétiques sont inversement proportionnelles au carré de la distance. Mais contrairement à la gravité, la « gravité » électromagnétique attire non seulement les particules (différents signes de charge), mais les repousse également les unes des autres (particules de même charge). Et toutes les particules ne sont pas porteuses de charges électriques. Par exemple, le photon et le neutron sont neutres à cet égard. Dans les années 50 du XIXème siècle. la théorie électromagnétique de D. C. Maxwell (1831-1879) unifiait les phénomènes électriques et magnétiques et clarifiait ainsi l'action des forces électromagnétiques. [Grünbaum A. Origine versus création dans la cosmologie physique (distorsions théologiques de la cosmologie physique moderne). - Question. Philosophie, 1995, n° 2, p. 19.]
L'étude des phénomènes de radioactivité a conduit à la découverte d'un type particulier d'interaction entre particules, appelé interaction faible. Puisque cette découverte est liée à l’étude de la radioactivité bêta, on pourrait appeler cette interaction désintégration bêta. Cependant, dans la littérature physique, il est d'usage de parler d'interaction faible - elle est plus faible que l'interaction électromagnétique, bien que beaucoup plus forte que l'interaction gravitationnelle. La découverte a été facilitée par les recherches de W. Pauli (1900-1958), qui a prédit que lors de la désintégration bêta, une particule neutre est libérée, compensant la violation apparente de la loi de conservation de l'énergie, appelée neutrino. Et de plus, la découverte des interactions faibles a été facilitée par les recherches d'E. Fermi (1901-1954), qui, avec d'autres physiciens, ont suggéré que les électrons et les neutrinos, avant leur départ du noyau radioactif, n'existent pas dans le noyau, pour ainsi dire, sous une forme prête à l'emploi, mais se forment au cours du processus de rayonnement. [Grünbaum A. Origine versus création dans la cosmologie physique (distorsions théologiques de la cosmologie physique moderne). - Question. Philosophie, 1995, n° 2, p. 21.]
Enfin, la quatrième interaction s’est avérée être associée à des processus intranucléaires. Appelée interaction forte, elle se manifeste par l’attraction de particules intranucléaires – protons et neutrons. En raison de sa grande taille, il s’avère être une source d’énergie énorme.
L’étude des quatre types d’interactions a suivi le chemin de la recherche de leur lien profond. Sur ce chemin flou et largement obscur, seul le principe de symétrie a guidé les recherches et a conduit à l'identification de la connexion supposée de différents types d'interactions.
Pour identifier de telles connexions, il a fallu recourir à la recherche d'un type particulier de symétries. Un exemple simple de ce type de symétrie est la dépendance du travail effectué lors du levage d'une charge sur la hauteur de l'ascenseur. L'énergie dépensée dépend du dénivelé, mais ne dépend pas de la nature du trajet de montée. Seule la différence de hauteur est significative et peu importe à partir de quel niveau on commence la mesure. On peut dire qu'il s'agit ici de symétrie par rapport au choix de l'origine.
De la même manière, vous pouvez calculer l’énergie de mouvement d’une charge électrique dans un champ électrique. L’analogue de la hauteur sera ici la tension de champ ou, en d’autres termes, le potentiel électrique. L'énergie dépensée pendant le mouvement de la charge dépendra uniquement de la différence de potentiel entre les points final et initial de l'espace du champ. Nous avons affaire ici à ce qu'on appelle la symétrie de jauge ou, en d'autres termes, de symétrie d'échelle. La symétrie de jauge liée au champ électrique est étroitement liée à la loi de conservation de la charge électrique.
La symétrie de jauge s'est avérée être l'outil le plus important, permettant de résoudre de nombreuses difficultés dans la théorie des particules élémentaires et dans de nombreuses tentatives d'unification de divers types d'interactions. En électrodynamique quantique, par exemple, diverses divergences apparaissent. Il est possible d'éliminer ces divergences du fait que la procédure dite de renormalisation, qui élimine les difficultés de la théorie, est étroitement liée à la symétrie de jauge. L’idée apparaît que les difficultés liées à la construction d’une théorie non seulement des interactions électromagnétiques, mais aussi d’autres interactions peuvent être surmontées si d’autres symétries cachées peuvent être trouvées.
La symétrie de jauge peut prendre un caractère généralisé et être attribuée à n'importe quel champ de force. A la fin des années 1960. S. Weinberg (né en 1933) de l'Université Harvard et A. Salam (né en 1926) de l'Imperial College de Londres, sur la base des travaux de S. Glashow (né en 1932), ont entrepris une unification théorique des interactions électromagnétiques et faibles. Ils ont utilisé l'idée de symétrie de jauge et la notion de champ de jauge associée à cette idée. [Yakushev A. S. Concepts de base des sciences naturelles modernes. – M., Fakt-M, 2001, p. 29.]
Pour l’interaction électromagnétique, la forme la plus simple de symétrie de jauge est applicable. Il s’est avéré que la symétrie de l’interaction faible est plus complexe que celle de l’interaction électromagnétique. Cette complexité est due à la complexité du processus lui-même, pour ainsi dire, au mécanisme d'interaction faible.
Au cours d'une interaction faible, par exemple, la désintégration d'un neutron se produit. Des particules telles que le neutron, le proton, l'électron et le neutrino peuvent participer à ce processus. De plus, en raison d'une faible interaction, une transformation mutuelle des particules se produit.
Dispositions conceptuelles de la théorie de la « Grande Unification »
Dans la physique théorique moderne, deux nouveaux schémas conceptuels donnent le ton : la théorie dite de la « Grande Unification » et la supersymétrie.
L’ensemble de ces tendances scientifiques conduit à une idée très séduisante, selon laquelle la nature toute entière est finalement soumise à l’action d’une superpuissance, se manifestant sous diverses « apparences ». Cette force est suffisamment puissante pour créer notre Univers et le doter de lumière, d’énergie, de matière et lui donner une structure. Mais la superpuissance est bien plus qu’une simple force créatrice. Dans celui-ci, la matière, l'espace-temps et l'interaction se fondent en un tout harmonieux et indissociable, générant une telle unité de l'Univers que personne n'avait imaginé auparavant. Le but de la science est essentiellement la recherche d’une telle unité. [Ovchinnikov N.F. Structure et symétrie // System Research, M., 1969, p. 137.]
Sur cette base, il existe une certaine confiance dans l'unification de tous les phénomènes de la nature vivante et inanimée dans le cadre d'un schéma descriptif unique. Aujourd'hui, on connaît quatre interactions fondamentales ou quatre forces dans la nature, responsables de toutes les interactions connues des particules élémentaires : interactions fortes, faibles, électromagnétiques et gravitationnelles. De fortes interactions lient les quarks entre eux. Les interactions faibles sont responsables de certains types de désintégration nucléaire. Les forces électromagnétiques agissent entre les charges électriques et les forces gravitationnelles agissent entre les masses. La présence de ces interactions est une condition suffisante et nécessaire à la construction du monde qui nous entoure. Par exemple, sans la gravité, non seulement il n'y aurait pas de galaxies, d'étoiles et de planètes, mais l'Univers n'aurait pas pu naître - après tout, les concepts mêmes d'un Univers en expansion et du Big Bang, à l'origine de l'espace-temps, sont basés sur la gravité. Sans interactions électromagnétiques, il n’y aurait pas d’atomes, pas de chimie ou de biologie, ni de chaleur ou de lumière solaire. Sans de fortes interactions nucléaires, les noyaux n’existeraient pas, et donc les atomes et les molécules, la chimie et la biologie n’existeraient pas, et les étoiles et le Soleil ne seraient pas capables de générer de la chaleur et de la lumière à l’aide de l’énergie nucléaire.
Même les interactions nucléaires faibles jouent un rôle dans la formation de l’Univers. Sans eux, les réactions nucléaires au sein du Soleil et des étoiles seraient impossibles ; apparemment, les explosions de supernova ne se produiraient pas et les éléments lourds nécessaires à la vie ne pourraient pas se propager dans tout l'Univers. La vie n’aurait peut-être pas surgi. Si nous sommes d'accord avec l'opinion selon laquelle ces quatre interactions complètement différentes, dont chacune est à sa manière nécessaire à l'émergence de structures complexes et déterminant l'évolution de l'Univers entier, sont générées par une seule superpuissance simple, alors la présence de il ne fait aucun doute qu’il existe une seule loi fondamentale opérant à la fois dans la nature vivante et non vivante. La recherche moderne montre que ces quatre forces auraient pu autrefois être combinées en une seule.
Cela a été possible grâce aux énormes énergies caractéristiques de l’ère du début de l’Univers, peu après le Big Bang. En effet, la théorie de l’unification des interactions électromagnétiques et faibles a déjà été confirmée expérimentalement. Les théories de la « Grande Unification » devraient combiner ces interactions avec les plus fortes, et les théories du « Tout ce qui est » devraient unifier les quatre interactions fondamentales en tant que manifestations d’une seule interaction. Histoire thermique de l'Univers, à partir de 10–43 secondes. après le Big Bang jusqu'à nos jours, montre que la plupart de l'hélium-4, de l'hélium-3, des deutons (noyaux de deutérium - un isotope lourd de l'hydrogène) et du lithium-7 se sont formés dans l'Univers environ 1 minute après le Big Bang.
Des éléments plus lourds sont apparus à l’intérieur des étoiles des dizaines de millions ou des milliards d’années plus tard, et l’émergence de la vie correspond à l’étape finale de l’évolution de l’Univers. Sur la base de l'analyse théorique et des résultats de la modélisation informatique de systèmes dissipatifs fonctionnant loin de l'équilibre, sous l'action d'un flux de basse énergie à fréquence codée, nous avons conclu qu'il existe deux processus parallèles dans l'Univers : l'entropie et l'information. De plus, le processus entropique de conversion de la matière en rayonnement n’est pas dominant. [Soldatov V.K. Théorie de la « Grande Unification ». – M., Post-scriptum, 2000, p. 38.]
Dans ces conditions, un nouveau type d’auto-organisation évolutive de la matière apparaît, reliant le comportement spatio-temporel cohérent du système aux processus dynamiques au sein du système lui-même. Ensuite, à l'échelle de l'Univers, cette loi sera formulée ainsi : « Si le Big Bang a conduit à la formation de 4 interactions fondamentales, alors l'évolution ultérieure de l'organisation spatio-temporelle de l'Univers est associée à leur unification. » Ainsi, à notre avis, la loi de l’entropie croissante doit être appliquée non pas à des parties individuelles de l’Univers, mais à l’ensemble du processus de son évolution. Au moment de sa formation, l'Univers s'est avéré quantifié en niveaux de hiérarchie espace-temps, dont chacun correspond à l'une des interactions fondamentales. La fluctuation qui en résulte, perçue comme une image en expansion de l'Univers, commence à un certain moment à rétablir son équilibre. Le processus d’évolution ultérieure se produit dans une image miroir.
En d’autres termes, deux processus se produisent simultanément dans l’Univers observable. Un processus - l'anti-entropie - est associé à la restauration d'un équilibre perturbé par l'auto-organisation de la matière et du rayonnement en états macroquantiques (des exemples physiques incluent des états de la matière bien connus tels que la superfluidité, la supraconductivité et l'effet Hall quantique). Ce processus détermine apparemment l'évolution constante des processus de fusion thermonucléaire dans les étoiles, la formation de systèmes planétaires, de minéraux, de flore, d'organismes unicellulaires et multicellulaires. Cela suit automatiquement l’orientation auto-organisatrice du troisième principe de l’évolution progressive des organismes vivants.
L'autre processus est de nature purement entropique et décrit les processus de transition évolutive cyclique de la matière auto-organisée (dégradation - auto-organisation). Il est possible que ces principes servent de base à la création d’un appareil mathématique nous permettant de combiner les quatre interactions en une seule superforce. Comme nous l’avons déjà noté, c’est le problème qui préoccupe actuellement la plupart des physiciens théoriciens. Une argumentation plus approfondie de ce principe dépasse largement le cadre de cet article et est liée à la construction de la théorie de l'auto-organisation évolutionnaire de l'univers. Par conséquent, tirons la conclusion principale et voyons dans quelle mesure elle est applicable aux systèmes biologiques, aux principes de leur contrôle et, surtout, aux nouvelles technologies pour le traitement et la prévention des conditions pathologiques du corps. Tout d'abord, nous nous intéresserons aux principes et mécanismes de maintien de l'auto-organisation et de l'évolution des organismes vivants, ainsi que les causes de leurs violations, se manifestant sous la forme de toutes sortes de pathologies.
Le premier d’entre eux est le principe du contrôle code-fréquence, dont l’objectif principal est de maintenir, synchroniser et contrôler les flux d’énergie au sein de tout système dissipatif ouvert et auto-organisé. La mise en œuvre de ce principe pour les organismes vivants nécessite la présence à chaque niveau hiérarchique structural d'un objet biologique (moléculaire, subcellulaire, cellulaire, tissulaire, organoïde, organisme, population, biocénotique, biotique, paysage, biosphère, cosmique) la présence d'un processus biorythmologique associé à la consommation et à la consommation de l'énergie transformée, qui détermine l'activité et la séquence des processus au sein du système. Ce mécanisme occupe une place centrale dans les premiers stades de l'émergence de la vie dans les processus de formation de la structure de l'ADN et le principe de reduplication de codes discrets d'informations héréditaires, ainsi que dans des processus tels que la division cellulaire et la différenciation ultérieure. Comme vous le savez, le processus de division cellulaire se déroule toujours dans un ordre strict : prophase, métaphase, télophase, puis anaphase. Vous pouvez violer les conditions de division, interférer avec celle-ci, voire supprimer le noyau, mais la séquence sera toujours préservée. Sans aucun doute, notre corps est doté des synchroniseurs les plus parfaits : un système nerveux sensible aux moindres changements de l’environnement externe et interne, et un système humoral plus lent. Dans le même temps, la pantoufle ciliée, en l'absence totale des systèmes nerveux et humoral, vit, se nourrit, excrète, se reproduit, et tous ces processus complexes ne se déroulent pas de manière chaotique, mais dans un ordre strict : toute réaction prédétermine la suivante, et cela libère à son tour des produits nécessaires au démarrage de la réaction suivante. [Soldatov V.K. Théorie de la « Grande Unification ». – M., Post-scriptum, 2000, p. 59.]
Il convient de noter que la théorie d’Einstein a marqué un progrès si important dans la compréhension de la nature qu’une révision des opinions sur d’autres forces de la nature est rapidement devenue inévitable. À cette époque, la seule « autre » force dont l’existence était fermement établie était l’interaction électromagnétique. Cependant, extérieurement, cela ne ressemblait pas du tout à la gravité. De plus, plusieurs décennies avant la création de la théorie de la gravité d’Einstein, l’électromagnétisme avait été décrit avec succès par la théorie de Maxwell, et il n’y avait aucune raison de douter de la validité de cette théorie.
Tout au long de sa vie, Einstein a rêvé de créer une théorie des champs unifiée dans laquelle toutes les forces de la nature fusionneraient sur la base de la géométrie pure. Einstein a consacré la majeure partie de sa vie à la recherche d'un tel schéma après avoir créé la théorie de la relativité générale. Cependant, ironiquement, la personne qui a été la plus proche de réaliser le rêve d'Einstein était le physicien polonais peu connu Theodor Kaluza, qui en 1921 a jeté les bases d'une approche nouvelle et inattendue de l'unification de la physique, qui étonne encore l'imagination par son audace. .
Avec la découverte des interactions faibles et fortes dans les années 30 du 20e siècle, les idées d'unification de la gravité et de l'électromagnétisme ont largement perdu de leur attrait. Une théorie cohérente et unifiée des champs aurait dû inclure non pas deux, mais quatre forces. Évidemment, cela ne pourrait se faire sans parvenir à une compréhension approfondie des interactions faibles et fortes. À la fin des années 1970, grâce au vent frais apporté par les théories grandes unifiées (GUT) et la supergravité, l’ancienne théorie de Kaluza-Klein est revenue dans les mémoires. Ils ont « soufflé la poussière, l’ont habillée à la mode » et y ont inclus toutes les interactions connues à ce jour.
Dans GUT, les théoriciens ont réussi à rassembler trois types d’interactions très différents au sein d’un même concept ; cela est dû au fait que les trois interactions peuvent être décrites à l’aide de champs de jauge. La propriété principale des champs de jauge est l’existence de symétries abstraites, qui confèrent à cette approche son élégance et ses possibilités. La présence de symétries de champs de force indique très clairement la manifestation d’une géométrie cachée. Dans la théorie de Kaluza-Klein ressuscitée, les symétries des champs de jauge deviennent concrètes - ce sont des symétries géométriques associées à des dimensions supplémentaires de l'espace.
Comme dans la version originale, les interactions sont introduites dans la théorie en ajoutant des dimensions spatiales supplémentaires à l'espace-temps. Cependant, puisque nous devons désormais prendre en compte trois types d’interactions, nous devons introduire plusieurs dimensions supplémentaires. Le simple fait de compter le nombre d'opérations de symétrie impliquées dans le GUT conduit à une théorie avec sept dimensions spatiales supplémentaires (ce qui porte le total à dix) ; si l’on prend en compte le temps, alors l’espace-temps a onze dimensions au total. [Soldatov V.K. Théorie de la « Grande Unification ». – M., Post-scriptum, 2000, p. 69.]
Dispositions fondamentales de la théorie de la « Grande Unification » du point de vue de la physique quantique
En physique quantique, chaque échelle de longueur est associée à une échelle d'énergie (ou de masses équivalentes). Plus l'échelle de longueur étudiée est petite, plus l'énergie requise pour cela est élevée. L'étude de la structure des quarks d'un proton nécessite des énergies équivalentes à au moins dix fois la masse du proton. La masse correspondant à la Grande Unification est nettement plus élevée sur l’échelle énergétique. Si jamais nous parvenons à atteindre une masse (énergie) aussi énorme, ce dont nous sommes très loin aujourd'hui, il sera alors possible d'étudier le monde des particules X, dans lequel les différences entre quarks et leptons s'effacent.
Quel type d’énergie est nécessaire pour pénétrer « à l’intérieur » de la 7-sphère et explorer des dimensions supplémentaires de l’espace ? Selon la théorie de Kaluza-Klein, il est nécessaire de dépasser l'échelle de la Grande Unification et d'atteindre des énergies équivalentes à 10 19 masses de protons. Ce n’est qu’avec des énergies aussi énormes et inimaginables qu’il serait possible d’observer directement les manifestations de dimensions supplémentaires de l’espace.
Cette valeur énorme - 10 19 masses d'un proton - est appelée la masse de Planck, car elle a été introduite pour la première fois par Max Planck, le créateur de la théorie quantique. À une énergie correspondant à la masse de Planck, les quatre interactions dans la nature fusionneraient en une seule superforce, et dix dimensions spatiales seraient complètement égales. S'il était possible de concentrer une quantité suffisante d'énergie, « assurant l'atteinte de la masse de Planck, alors la pleine dimension de l'espace apparaîtrait dans toute sa splendeur [Yakushev A. S. Concepts de base des sciences naturelles modernes – M., Fakt-M. , 2001, p.122.]
En laissant libre cours à l’imagination, on peut imaginer qu’un jour l’humanité se dotera de super pouvoirs. Si cela se produisait, nous obtiendrions alors un pouvoir sur la nature, puisque le superpouvoir donne finalement naissance à toutes les interactions et à tous les objets physiques ; en ce sens, c’est le principe fondamental de toutes choses. Ayant maîtrisé les superpouvoirs, nous pourrions changer la structure de l'espace et du temps, plier le vide à notre manière et mettre de l'ordre dans la matière. En contrôlant nos superpuissances, nous pourrions créer ou transformer des particules à volonté, générant ainsi de nouvelles formes exotiques de matière. Nous pourrions même manipuler la dimension de l’espace lui-même, créant ainsi des mondes artificiels bizarres aux propriétés inimaginables. Nous deviendrions véritablement maîtres de l’Univers !
Mais comment y parvenir ? Tout d’abord, il faut obtenir une quantité d’énergie suffisante. Pour avoir une idée de quoi on parle, rappelons que l'accélérateur linéaire de 3 km de long de Stanford accélère les électrons jusqu'à des énergies équivalentes à 20 masses de protons. Pour atteindre l'énergie de Planck, il faudrait allonger l'accélérateur de 10 à 18 fois, ce qui lui donnerait la taille de la Voie lactée (environ cent mille années-lumière). Un tel projet n’est pas réalisable dans un avenir prévisible. [Wheeler J. A. Quantum and the Universe // Astrophysique, quanta et théorie de la relativité, M., 1982, p. 276.]
La Grande Théorie Unifiée distingue clairement trois seuils, ou échelles, d’énergie. Il s’agit tout d’abord du seuil de Weinberg-Salam, équivalent à près de 90 masses de protons, au-dessus duquel les interactions électromagnétiques et faibles se confondent en une seule interaction électrofaible. La deuxième échelle, correspondant à 10 14 masses de protons, est caractéristique de la Grande Unification et de la nouvelle physique qui en découle. Enfin, l'échelle ultime - la masse de Planck - équivalente à 10 19 masses de protons, correspond à l'unification complète de toutes les interactions, ce qui rend le monde étonnamment simplifié. L’un des plus gros problèmes non résolus est d’expliquer l’existence de ces trois échelles, ainsi que la raison d’une si forte différence entre la première et la seconde d’entre elles. [Soldatov V.K. Théorie de la « Grande Unification ». – M., Post-scriptum, 2000, p. 76.]
La technologie moderne n’est capable d’atteindre que la première échelle. La désintégration du proton pourrait nous fournir un moyen indirect d'étudier le monde physique à l'échelle grande unifiée, même si, à l'heure actuelle, il ne semble y avoir aucun espoir d'atteindre directement cette limite, encore moins à l'échelle de masse de Planck.
Cela signifie-t-il que nous ne pourrons jamais observer les manifestations de la superpuissance originelle et des sept dimensions invisibles de l’espace ? Grâce à des moyens techniques tels qu’un supercollisionneur supraconducteur, nous augmentons rapidement l’échelle des énergies réalisables dans des conditions terrestres. Cependant, la technologie créée par l’homme n’épuise pas toutes les possibilités : la nature elle-même existe également. L’Univers est un gigantesque laboratoire naturel dans lequel la plus grande expérience dans le domaine de la physique des particules élémentaires a été « menée » il y a 18 milliards d’années. Nous appelons cette expérience le Big Bang. Comme nous le verrons plus loin, cet événement initial a suffi à libérer – quoique pour un très court instant – une superpuissance. Cependant, cela suffisait apparemment pour que l'existence fantomatique d'une superpuissance laisse sa marque à jamais. [Yakushev A. S. Concepts de base des sciences naturelles modernes. – M., Fakt-M, 2001, p. 165.]
Le temps est comme une rivière qui transporte les événements qui passent, et son courant est fort ; Dès que quelque chose apparaît sous vos yeux, il a déjà été emporté, et vous pouvez voir autre chose qui sera également bientôt emporté.
Marc Aurèle
Chacun de nous s’efforce de créer une image holistique du monde, y compris une image de l’Univers, depuis les plus petites particules subatomiques jusqu’à la plus grande échelle. Mais les lois de la physique sont parfois si étranges et contre-intuitives que cette tâche peut devenir insurmontable pour ceux qui ne sont pas devenus des physiciens théoriciens professionnels.
Un lecteur demande :
Bien que ce ne soit pas de l’astronomie, vous pourriez peut-être me donner un indice. La force forte est portée par les gluons et lie les quarks et les gluons ensemble. L'électromagnétique est transporté par les photons et lie les particules chargées électriquement. La gravité est censée être transportée par les gravitons et lie toutes les particules à la masse. Le faible est porté par les particules W et Z, et... est associé à la désintégration ? Pourquoi la force faible est-elle décrite de cette façon ? La force faible est-elle responsable de l’attraction et/ou de la répulsion de particules ? Et lesquels ? Et sinon, pourquoi alors est-ce l’une des interactions fondamentales si elle n’est associée à aucune force ? Merci.
Éliminons les bases. Il existe quatre forces fondamentales dans l’univers : la gravité, l’électromagnétisme, la force nucléaire forte et la force nucléaire faible.
Et tout cela est interaction, force. Pour les particules dont l'état peut être mesuré, l'application d'une force change son moment - dans la vie ordinaire, on parle alors d'accélération. Et pour trois de ces forces, cela est vrai.
Dans le cas de la gravité, la quantité totale d'énergie (principalement la masse, mais toute l'énergie est incluse) courbe l'espace-temps et le mouvement de toutes les autres particules change en présence de tout ce qui a de l'énergie. C’est ainsi que cela fonctionne dans la théorie classique (non quantique) de la gravité. Il existe peut-être une théorie plus générale, la gravité quantique, dans laquelle les gravitons sont échangés, conduisant à ce que nous observons comme une interaction gravitationnelle.
Avant de continuer, veuillez comprendre :
- Les particules ont une propriété, ou quelque chose qui leur est inhérent, qui leur permet de ressentir (ou de ne pas ressentir) un certain type de force.
- D'autres particules porteuses d'interactions interagissent avec les premières
- À la suite d'interactions, les particules modifient leur moment ou accélèrent
En électromagnétisme, la propriété principale est la charge électrique. Contrairement à la gravité, elle peut être positive ou négative. Un photon, une particule qui transporte la force associée à une charge, provoque la repousse des charges similaires et l'attraction des charges différentes.
Il convient de noter que les charges en mouvement, ou courants électriques, subissent une autre manifestation de l'électromagnétisme : le magnétisme. La même chose se produit avec la gravité, et c’est ce qu’on appelle le gravitomagnétisme (ou gravitoélectromagnétisme). Nous n'irons pas plus loin - le fait est qu'il n'y a pas seulement une charge et un porteur de force, mais aussi des courants.
Il existe également une forte interaction nucléaire, qui comporte trois types de charges. Bien que toutes les particules aient de l'énergie et soient toutes soumises à la gravité, et bien que les quarks, la moitié des leptons et une paire de bosons contiennent des charges électriques, seuls les quarks et les gluons ont une charge colorée et peuvent subir la forte force nucléaire.
Il y a beaucoup de masses partout, la gravité est donc facile à observer. Et comme la force forte et l’électromagnétisme sont assez puissants, ils sont également faciles à observer.
Mais qu’en est-il de ce dernier ? Faible interaction ?
Nous en parlons généralement dans le contexte de la désintégration radioactive. Un quark ou un lepton lourd se désintègre en des quarks plus légers et plus stables. Oui, une faible interaction a quelque chose à voir avec cela. Mais dans cet exemple, elle est en quelque sorte différente des autres forces.
Il s’avère que l’interaction faible est aussi une force, mais on n’en parle pas souvent. Elle est faible ! 10 000 000 de fois plus faible que l'électromagnétisme sur une distance égale au diamètre d'un proton.
Une particule chargée a toujours une charge, qu'elle soit en mouvement ou non. Mais le courant électrique qu'il crée dépend de son mouvement par rapport aux autres particules. Le courant détermine le magnétisme, qui est aussi important que la partie électrique de l’électromagnétisme. Les particules composées comme le proton et le neutron ont des moments magnétiques importants, tout comme l'électron.
Les quarks et les leptons se déclinent en six saveurs. Quarks - haut, bas, étrange, charmé, charmant, vrai (selon leurs désignations de lettres en latin u, d, s, c, t, b - haut, bas, étrange, charme, haut, bas). Leptons - électron, électron-neutrino, muon, muon-neutrino, tau, tau-neutrino. Chacun d’eux possède une charge électrique, mais aussi une odeur. Si nous combinons l’électromagnétisme et la force faible pour obtenir la force électrofaible, alors chacune des particules aura une charge faible, ou courant électrofaible, et une constante de force faible. Tout cela est décrit dans le modèle standard, mais il était assez difficile de le tester car l'électromagnétisme est très fort.
Dans une nouvelle expérience dont les résultats ont été récemment publiés, la contribution de l’interaction faible a été mesurée pour la première fois. L'expérience a permis de déterminer la faible interaction des quarks up et down
Et les faibles charges du proton et du neutron. Les prédictions du modèle standard pour les charges faibles étaient les suivantes :
Q W (p) = 0,0710 ± 0,0007,
Q W (n) = -0,9890 ± 0,0007.
Et sur la base des résultats de diffusion, l’expérience a produit les valeurs suivantes :
Q W (p) = 0,063 ± 0,012,
Q W (n) = -0,975 ± 0,010.
Ce qui coïncide très bien avec la théorie, compte tenu de l'erreur. Les expérimentateurs affirment qu’en traitant davantage de données, ils réduiront davantage l’erreur. Et s’il y a des surprises ou des divergences par rapport au Modèle Standard, ce sera cool ! Mais rien ne l'indique :
Par conséquent, les particules ont une charge faible, mais nous n'en parlons pas, car elle est irréaliste et difficile à mesurer. Mais nous l’avons quand même fait, et il semble que nous ayons reconfirmé le modèle standard.
