КЭД – странная теория света и вещества - Ричард Фейнман (2017)

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.