Електрослабка взаємодія: коріння електромагнетизму та слабкої ядерної взаємодії

Сучасна фізика елементарних частинок розрізняє чотири фундаментальні взаємодії: гравітаційну, сильну ядерну, електромагнітну та слабку ядерну. Спершу може здатися, що кожна з них існує незалежно й не має спільного походження. Проте у другій половині ХХ століття науковці зробили відкриття, яке перевернуло наші уявлення: електромагнетизм і слабка ядерна взаємодія насправді є різними проявами однієї більш фундаментальної взаємодії — електрослабкої.

Фундаментальні взаємодії Всесвіту

Наш Всесвіт тримається у рівновазі завдяки взаємодії чотирьох взаємодій:

• Гравітаційна взаємодія утримує планети на орбітах, а нас на поверхні Землі.

• Сильна ядерна взаємодія «склеює» протони та нейтрони всередині атомних ядер.

• Електромагнітна взаємодія відповідає за світло, електрику, магнетизм і більшість взаємодій, які ми спостерігаємо у повсякденному житті.

• Слабка ядерна взаємодія регулює радіоактивний розпад і перетворення субатомних частинок.

Гравітаційна взаємодія

Здавалося б, цих взаємодій чотири. Але завдяки роботі видатних фізиків ХХ століття, серед яких Шелдон Глешоу (нар. 1932 р.), Абдус Салам (1926–1996) та Стівен Вайнберг (1933–2021), стало зрозуміло, що у перші миті після Великого вибуху дві з цих взаємодій існували як єдине ціле.

Художнє зображення Великого вибуху

Електромагнетизм проти слабкої ядерної взаємодії

На перший погляд, електромагнітна і слабка ядерна взаємодії дуже різняться. Електромагнітна взаємодія:

• Відповідає за електричні та магнітні поля.

• Утворює фотони — безмасові частинки, що поширюються зі швидкістю світла.

• Забезпечує існування світла, хімічних зв’язків і електричних струмів.

Слабка взаємодія:

• Викликає радіоактивний бета-розпад.

• Передається масивними W- і Z-бозонами, які мають велику масу та розпадаються дуже швидко.

• Менше помітна у побуті, але відіграє ключову роль у ядерних реакціях, що живлять зорі, зокрема наше Сонце.

Ядерні реакції у надрах Сонця, що підтримуються слабкою взаємодією, перетворюють протони в нейтрони

Здавалося б, це дві зовсім різні взаємодії. Проте на глибшому рівні вони пов’язані спільними математичними структурами.

Калібрувальні теорії та єдність взаємодій

Фізики використовують так звані калібрувальні теорії, щоб описати фундаментальні взаємодії. Калібрувальні інваріантності накладають обмеження на рівняння руху частинок, дозволяючи передбачити всі можливі взаємодії. Як зазначено у працях Іларії Брівіо (Болонський університет) та П’єра-Гюга Бошеміна (Університет Тафтса), ці математичні конструкції вказують на спільну природу електромагнітної та слабкої взаємодії.

При низьких енергіях (які ми спостерігаємо сьогодні) електромагнітна й слабка взаємодії здаються різними. Але якщо «налаштувати» нашу теорію на набагато вищі енергії, подібні до тих, що панували у перші пікосекунди після Великого вибуху, ці дві взаємодії об’єднуються в одну електрослабку взаємодію. Тоді існували чотири безмасові «силові» частинки — аналоги сучасних фотонів, W- та Z-бозонів. Зі зниженням енергії Всесвіту ця єдина взаємодія «розщепилась» на дві, які ми бачимо зараз.

Роль поля Ґіґґса та бозону Ґіґґса

Перехід від електрослабкої до окремих електромагнітної та слабкої взаємодій пов’язаний із полем Ґіґґса. Ідею про існування такого поля запропонував Пітер Ґіґґс (нар. 1929 р.) та інші дослідники у 1960-х. Це поле заповнює весь простір і взаємодіє з певними елементарними частинками, надаючи їм масу.

Бозон Ґіґґса, відомий з 2012 року завдяки експериментам на Великому адронному колайдері (ЦЕРН), є збудженням поля Ґіґґса. Саме через цей «механізм Ґіґґса» безмасові частинки електрослабкої взаємодії перетворилися на масивні W- та Z-бозони і безмасовий фотон.

Сигнатура бозона Ґіґґса при зіткненні протонів

Наслідки та перспективи великої єдності

Подальше вивчення електрослабкої взаємодії ставить нові питання. Наприклад, фізики не до кінця зрозуміли динаміку переходу від єдиної електрослабкої взаємодії до двох окремих. Чи був це різкий «фазовий перехід» чи плавний процес?

Ці питання важливі й для розуміння того, чому у нашому Всесвіті переважає матерія, а не антиматерія. Якщо перехід був різким, це могло сприяти появі невеликого надлишку матерії над антиматерією.

Крім того, є ідеї Великої об’єднаної теорії, яка припускає, що при ще вищих енергіях сильна ядерна взаємодія також могла бути об’єднана з електрослабкою взаємодією. Існують навіть гіпотези, що при ще вищих енергіях можна об’єднати усі чотири відомі взаємодії, включно з гравітацією, в одну єдину фундаментальну взаємодію. Ці амбітні ідеї досліджуються за допомогою математичних моделей, зокрема теорії струн.

Гіпотези щодо гравітації

Гравітацію поки не вдається гармонійно вписати у квантово-польові теорії елементарних частинок. Проте теорія струн та інші підходи намагаються об’єднати гравітацію з іншими взаємодіями. Якщо це вдасться, ми отримаємо повну картину народження та еволюції нашого Всесвіту.

Висновок

Електрослабка взаємодія — це приклад того, як спостережувані нами взаємодії можуть бути лише «фрагментами» більш єдиної та простої структури, що існувала в перші моменти після Великого вибуху. Досліджуючи глибші рівні реальності, фізики прагнуть зрозуміти, чи є ця єдність лише початком ще більш грандіозного об’єднання всіх фундаментальних взаємодій.

Джерела:

1. Glashow, S.L., Illiopoulos, J., Maiani, L. (1970). “Weak Interactions with Lepton–Hadron Symmetry”. Physical Review D.

2. Salam, A. (1968). “Weak and Electromagnetic Interactions”. Elementary Particle Theory. Nobel Symposium No. 8.

3. Weinberg, S. (1967). “A Model of Leptons”. Physical Review Letters.

4. Halzen, F., Martin, A.D. (1984). Quarks and Leptons: An Introductory Course in Modern Particle Physics. John Wiley & Sons.

5. Актуальні матеріали CERN та Fermilab: https://home.cern, https://www.fnal.gov