жем ничего посчитать при помощи этой теории, потому что математика слишком сложна для нас. (Вы можете догадаться, над чем я работаю, но у меня ничего не получается.) Причина, по которой мы ничего не можем посчитать с приличной точностью, заключается в том, что константа связи для глюонов gзначительно превосходит константу связи для электронов. Диаграммы с двумя, четырьмя и даже шестью взаимодействиями не просто маленькие поправки к основной амплитуде – они вносят существенный вклад, которым нельзя пренебречь. Поэтому получается так много стрелок для различных вариантов, что мы не можем упорядочить их разумным образом и найти, чему равна результирующая стрелка.
В книгах говорится, что наука проста: вы строите теорию, сравниваете ее с экспериментом, и если теория не работает, вы ее отбрасываете и строите новую теорию. Здесь у нас есть четкая теория и сотни экспериментов, но мы не можем их сравнить! В истории физики такого положения еще не бывало. Мы временно оказались взаперти и не можем выбраться, пока не придумаем метод вычисления. Нас «завалило» всеми этими стрелочками, как снежным сугробом.
Рис. 85. Когда нейтрон превращается в протон (этот процесс называется бета-распадом), единственное, что изменяется – это «аромат» одного из кварков, d-кварк превращается в w-кварк, что сопровождается вылетом электрона и антинейтрино. Такой процесс происходит довольно медленно, поэтому предположили, что существует промежуточная частица (названная промежуточным W-бозоном) с очень большой массой (порядка 80 000 МэВ) и зарядом –1.
Несмотря на сложности вычислений, мы качественно понимаем многое в квантовой хромодинамике (науке о сильных взаимодействиях кварков и глюонов). Наблюдаемые нами объекты, состоящие из кварков, «бесцветны»: группы из трех кварков содержат по одному кварку каждого «цвета», а кварк-антикварковые пары имеют одинаковую амплитуду быть красно-антикрасными, зелено-антизелеными или синеантисиними. Мы также понимаем, почему кварки никогда не образуются по отдельности – почему мы видим (какой бы ни была энергия протона, ударяющегося о ядро), что вылетают не отдельные кварки, а струи мезонов и барионов (кварк-антикварковых пар и групп из трех кварков).
Квантовая хромодинамика и квантовая электродинамика – это еще не вся физика. Согласно этим теориям кварк не может изменить «аромат»: u-кварк всегда остается u-кварком, d-кварк всегда остается d-кварком. Но Природа иногда поступает по-другому. Существует медленная форма радиоактивности, бета-распад (утечки такой радиоактивности боятся на ядерных реакторах), при которой нейтрон превращается в протон. Поскольку нейтрон состоит из двух d-кварков и одного и-кварка, а протон – из двух и-кварков и одного d-кварка, то один из d-кварков нейтрона превращается в и-кварк (см. рис. 85). Вот как это происходит: d-кварк излучает новую частицу, W-бозон, подобную фотону, которая взаимодействует с электроном и другой новой частицей, антинейтрино (нейтрино, движущимся вспять во времени). Нейтрино – это еще одна частица со спином ½ (как электрон и кварки), но оно не имеет массы и заряда (т. е. не взаимодействует с фотонами). Оно не взаимодействует также с глюонами, а только с W-бозонами (см. рис. 86).
W-бозон является частицей со спином 1 (как фотон и глюон), он изменяет «аромат» кварков и переносит их заряд: d-кварк с зарядом – ⅓ превращается в u-кварк с зарядом +⅔ – разница зарядов равна –1. («Цвет» кварка при этом не меняется.) Поскольку W – бозон переносит заряд –1 (и его античастица W+ переносит заряд +1), он взаимодействует также с фотонами. Бета-распад протекает гораздо медленнее, чем взаимодействие фотонов и электронов, поэтому считается, что W-бозон в отличие от фотона и глюона должен иметь очень большую массу (порядка 80 000 МэВ). Сам по себе W-бозон не наблюдается, поскольку для «выбивания» частицы с такой большой массой требуется очень большая энергия[30].
Рис. 86. С одной стороны, W-бозон взаимодействует с элек-троном и нейтрино, и с другой – с d-кварком и u-кварком
Есть и другая частица, которую можно считать нейтральным W-бозоном, она называется «Z 0-бозон». Z 0-бозон не меняет заряд кварка, но взаимодействует с d-кварком, u-кварком, электроном или нейтрино (см. рис. 87). Это взаимодействие носит вводящее в заблуждение название «нейтральные токи». Его открытие несколько лет назад вызвало большое волнение.
Рис. 87. Когда ни у одной из частиц заряд не меняется, W-бозон тоже не заряжен (он в этом случае называется Z0-бозоном). Такие взаимодействия называются «нейтральными токами». Здесь показаны две возможности.
Теория W-бозонов строга и изящна, если вы учитываете трехчастичное взаимодействие между тремя типами W-бозонов (см. рис. 88). Наблюдаемая константа связи W-бозонов близка к электромагнитной: лежит в окрестности j. Поэтому не исключено, что три W-бозона и фотон являются разными сторонами одного явления. Стивен Вайнберг и Абдус Салам попробовали объединить в единую квантовую теорию квантовую электродинамику и так называемые «слабые взаимодействия» (взаимодействия через W-бозоны). И они это сделали. Но даже просто посмотрев на полученные ими результаты, вы, так сказать, увидите белые нитки. Совершенно очевидно, что фотон и три W-бозона каким-то образом связаны, но на современном уровне понимания эта связь ясно не видна: все еще мешают «швы» в теориях. Их до сих пор не удалось разгладить и сделать эту связь красивее и, значит, наверное, правильнее.
Рис. 88. Между W-, его античастицей W+ и нейтральным W-бозоном (Z0-бозоном) возможно взаимодействие. Константа связи для взаимодействия между W-бозонами ле-жит в окрестности j. На этом основано предположение, что W-бозоны и фотоны, возможно, представляют собой разные стороны одного и того же явления.
Итак, квантовая теория описывает три основных типа взаимодействий: «сильное взаимодействие» кварков и глюонов, «слабое взаимодействие» W-бозонов и «электрическое взаимодействие» фотонов. Единственные имеющиеся (в соответствии с этой теорией) частицы – это кварки (с «ароматами» d и и, трех «цветов» каждый), глюоны (восемь комбинаций красного, зеленого и синего), W-бозоны (с зарядами ±1 и 0), нейтрино, электроны и фотоны – примерно двадцать различных частиц шести различных типов (плюс их античастицы). Это не так уж плохо – примерно двадцать различных частиц, но только это еще не все.
По мере того как ядра бомбардировали протонами все более высоких энергий, продолжали возникать все новые частицы. Одной из таких частиц был мюон, в точности совпадающий с электроном во всех отношениях, за исключением значительно большей массы –105,8 МэВ. Это примерно в 206 раз превосходит массу электрона, равную 0,511 МэВ. Как будто Бог захотел попробовать для массы другое число! Все свойства мюона полностью описываются электродинамической теорией: та же константа связи j, та же Е(А – В), вы просто подставляете другое значение n[31].
Рис. 89. При бомбардировке ядра протонами все более и более высокой энергии возникают новые частицы. Одна из них – мюон, или тяжелый электрон. Мюонные взаимодействия описываются той же теорией, что и электронные, с той только разницей, что вы просто подставляете большее значение для п в формулу Е(А – В). Магнитный момент мюона должен не-сколько отличаться от магнитного момента электрона, поскольку, когда электрон излучает фотон, который затем распадается на электрон-позитронную или мюонантимюонную пару, массы частиц пары равны или превышают массу электрона. С другой стороны, когда мюон излучает фотон, распадающийся на позитрон-электронную или мюон-антимюонную пару, массы частиц пары не превышают массу мюона. Это не-большое различие подтверждается экспериментами.
Так как мюон примерно в 200 раз тяжелее электрона, «стрелка часов» для мюона вращается в 200 раз быстрее, чем для электрона. Это позволило нам проверить, продолжает ли квантовая электродинамика соответствовать эксперименту на расстояниях, в 200 раз меньших, чем те, на которых мы могли проверить ее до сих пор. Хотя эти расстояния все еще более чем в 1080 раз превосходят такие, на которых теорию подстерегают неприятности из-за бесконечностей (см. сноску на с. 146).
Рис. 90. У W-бозона имеется амплитуда излучения мюона вместо электрона. В этом случае место электронного нейтрино занимает мюонное нейтрино.
Мы уже знаем, что электрон может взаимодействовать с W-бозоном (см. рис. 85). При превращении d-кварка в u-кварк с испусканием W-бозона может ли W-бозон взаимодействовать с мюоном вместо электрона? Да (см. рис. 90). А антинейтрино? Если W-бозон взаимодействует с мюоном, частица, которая называется мюонным нейтрино, занимает место обычного нейтрино (которое мы теперь будем называть электронным нейтрино). Поэтому теперь в нашей таблице частиц вслед за электроном и нейтрино появляются две дополнительные частицы: мюон и мюонное нейтрино.
А кварки? Уже очень давно известны частицы, которые должны состоять из более тяжелых кварков, чем u и d. Поэтому в список фундаментальных частиц был включен третий кварк, названный s-кварком (от strange – странный). Масса s-кварка равна примерно 200 МэВ (сравните с 10 МэВ в случае и– и d-кварков).
Много лет мы считали, что у кварков есть только три «аромата» – и, d и s, но в 1974 г. была открыта новая частица, названная пси-мезоном, которую не удалось составить из этих трех кварков. Имелся очень хороший теоретический аргумент, что должен существовать четвертый кварк, взаимодействующий с