Великое объединение

ВЕЛИКОЕ ОБЪЕДИНЕНИЕ, теоретические модели, объединяющие три фундаментальных взаимодействия (из четырёх известных) - сильное, слабое и электромагнитное - в единое взаимодействие, которое может происходить на сверхмалых расстояниях или при сверхвысоких температурах. (Кроме перечисленных выше, к фундаментальным относится также гравитационное взаимодействие.)

Все фундаментальные взаимодействия осуществляются путём обмена квантами соответствующего поля и характеризуются интенсивностью и радиусом действия. Сильное взаимодействие обеспечивает стабильность атомных ядер и имеет ра­диус действия r порядка 10^-14 см, слабое взаимодействие ответственно за радио­активный распад и имеет радиус дейст­вия порядка 10^-16 см, электромагнит­ное взаимодействие имеет бесконечный радиус действия, оно присуще всем час­тицам с электрическим зарядом. Интенсив­ности взаимодействий характеризуются безразмерными числами - константами взаимодействий (константами связи). Для трёх фундаментальных взаимодействий они равны: α₁ ≈ 0,017, α₂ ≈ 0,034 и α₃ ≈0,118 (для электромагнитного, слабого и силь­ного взаимодействий соответственно).

Любое взаимодействие характеризуется определённой симметрией уравнений, которая в математике называется специальной унитарной симметрией (группой) SU(n). В случае сильного взаимодействия - это группа SU(3), в случае слабого - SU(2), в случае электромагнитного - U(1). Эта симметрия не имеет отношения к пространственной структуре элементарных частиц, участвующих в фундаментальных взаимодействиях, и называется группой внутренней симметрии. Она полностью характеризует вид взаимодействия и набор участвующих в нём частиц. Таким образом, три известных фундаментальных взаимодействия описываются группой симметрии SU(3)хSU(2)хU(1). Соответствующая теория получила название стандартной модели фундаментальных взаимодействий. При этом слабое и электромагнитное взаимодействия смешиваются, так что постоянная тонкой структуры α ≈ ¹/₁₃₇, характеризующая интенсивность электромагнитного взаимодействия, оказывается комбинацией констант α1 и α2.

Согласно теории Великого объединения, три фундаментальных взаимодействия, столь далёкие по своей природе и параметрам, являются тремя ветвями единого фундаментального взаимодействия, характеризующегося более широкой группой симметрии. Эта группа симметрии проявляется на малых расстояниях порядка 10^-30 см или при высоких температурах порядка 10²⁵ эВ (10²⁹ К), которые существовали на ранних стадиях развития Вселенной. При увеличении расстояний или при понижении температуры симметрия спонтанно нарушается. При этом группа симметрии понижается и образуются три подгруппы, связанные с тремя фундаментальными взаимодействиями. Группа симметрии теории Великого объединения включает в себя группу симметрии стандартной модели в качестве составной. Известные теоретические модели Великого объединения основаны на группах симметрии SU(5), SU(6), SO(10), Е(6) и так далее.

Возможность объединения трёх взаимодействий, характеризуемых различными интенсивностями, в единое взаимодействие основывается на том факте, что константы взаимодействий не являются в действительности постоянными, а меняются с расстоянием. Это явление связано с поляризацей вакуума и аналогично поляризации среды внесённым в неё пробным зарядом. В результате заряд либо экранируется, либо антиэкранируется в зависимости от расстояния. Зависимость константы взаимодействия от расстояния подтверждена экспериментально. Оказывается, что в то время как константы сильного и слабого взаимодействий убывают с уменьшением расстояния, константа электромагнитного взаимодействия растёт, и возможно их объединение на некотором малом масштабе. Эта эволюция описывается так называемыми уравнениями ренормализационной группы и приближённо описывается одинаковой для всех моделей формулой:

1/α_i(r) = 1/α_i(r) + b_iln(r/r₀), i=1,2,3,

где числа b_i зависят от модели. Приведён­ные выше значения констант взаимодей­ствия относятся к масштабу r₀= 10^-16 см, соответствующему массе промежуточно­го Z-бозона. Модели Великого объединения исходят из экстраполяции уравнений от расстояний порядка 10^-16 см (доступных современному экс­перименту) до значительно меньших рас­стояний порядка 10^-30 (рисунок).

Высокоточные измерения констант взаимодействий на электрон-позитронном ускорителе LEP (ЦЕРН, Женева) позволили проверить гипотезу объединения взаимодействий в рамках стандартной модели и дали отрицательный результат. Однако, если существуют неизвестные нам новые тяжёлые частицы, это повлияет на величину констант b_i и ситуация изменится. Так, например, популярная гипотеза о существовании новой симметрии элементарных частиц, так называемой суперсимметрии, или фермион-бозонной симметрии, предсказывает существование тяжёлых партнёров для каждой элементарной частицы. В этом случае объединение взаимодействий осуществимо, если новые частицы имеют массы порядка 1000 масс протона и взаимодействие происходит на расстояниях порядка 10^-30 см.

Гипотеза Великого объединения исходит из того, что совпадение констант не случайно, а свидетельствует о том, что на малых расстояниях взаимодействия теряют индивидуальность и становятся частью единого взаимодействия с единственной константой связи αТВО. При этом обычные частицы - кварки и лептоны - также утрачивают различия и становятся возможными переходы между ними. Это приведёт, в частности, к распаду протонов, входящих в атомные ядра. При обычных энергиях вероятность этого процесса ничтожно мала, но в теориях Великого объединения можно оценить время жизни протона, которое оказывается порядка 10³³-10³⁴ лет. Наблюдение таких событий практически невозможно.

Объединение взаимодействий в рамках теории Великого объединения позволяет разрешить ряд проблем; например, объяснить, почему протон и электрон имеют одинаковый по величине и противоположный по знаку электрический заряд, почему имеется одинаковое число кварков и лептонов, почему на больших масштабах существует три вида взаимодействий.

Лит.: Ченг Т., Ли Л. Калибровочные теории в физике элементарных частиц. М., 1987.