Хотя с тех пор мы продвинулись в своих измерениях физических параметров примерно до уровня 1 ТэВ, ниже которого различимы сильное, слабое и электромагнитное взаимодействия, в основе стандартной модели лежит предположение, что свыше этого энергетического предела, то есть до одной триллионной доли секунды после начала Большого взрыва, слабое и электромагнитное взаимодействия были едины.
БАК позволит нам впервые экспериментально исследовать область высокой симметрии, предоставляя данные о состоянии физических процессов во Вселенной до 10-12 с от начала Большого взрыва.
Асимметрия материи и антиматерии
Несмотря на свой успех, стандартная модель не объясняет довольно важную характеристику нашей Вселенной — преобладание материи над антиматерией.
Один из принципов, заключенных в стандартной модели, — это закон сохранения барионного заряда. Каждый барион имеет барионный заряд (или барионное число) B = +1. У антибарионов B = -1. Кварки имеют B = +1/3, антикварки — B = -1/3. Лептоны, калибровочные бозоны (то есть носители взаимодействий) и бозон Хиггса имеют нулевое барионное число. Закон сохранения барионного заряда говорит о том, что общий барионный заряд частиц, участвующих во взаимодействии, после реакции остается таким же, каким был до нее. Не было обнаружено ни одной реакции в физике частиц, ядерной физике или химии, которая бы нарушала этот закон.
Если разумно предположить, что, когда Вселенная только возникла, ее общий барионный заряд равнялся нулю, то выйдет, что число барионов в ней должно было равняться числу антибарионов. К настоящему моменту они бы полностью аннигилировали друг с другом и не было бы протонов и нейтронов, из которых могли бы образоваться ядра атомов.
Стандартная модель включает также закон сохранения лептонного заряда. Лептоны имеют L = +1, у антилептонов L = -1. Барионы и калибровочные бозоны имеют нулевой лептонный заряд. Итак, аналогично все лептоны и антилептоны аннигилировали бы и во Вселенной не осталось бы ни одного электрона. То есть стандартная модель утверждает, что во Вселенной не осталось бы ничего, кроме фотонов и нейтрино. Это значит, никаких атомов, никакой химии, никакой биологии, ни меня, ни вас, ни вашего кота.
Однако мы все существуем. Число протонов и электронов превышает число антипротонов и позитронов в соотношении 1 млрд/1. В какой-то момент на самых ранних этапах жизни Вселенной, до того как сформировались ядра и атомы, законы сохранения барионного и лептонного зарядов были нарушены и образовалась огромная асимметрия между материей и антиматерией.
Если закон сохранения барионного заряда нарушается, протоны в конечном счете должны оказаться нестабильными. Насчет нестабильности электронов волноваться нечего из-за их маленькой массы: нет более легких заряженных частиц, на которые они могут распасться. От распада на фотоны и нейтрино их предохраняет закон сохранения электрического заряда. В противоположность этому существует множество заряженных лептонов, на которые могут распадаться протоны. В таблицах элементарных частиц, в которых перечисляются все их свойства, представлены также дюжины возможных типов распада частиц
. Вот только один пример:
p → e+ + γ,
где e+ — позитрон. Обратите внимание на нарушение законов сохранения лептонного и барионного зарядов.
Еще до завершения работы над стандартной моделью, в 1970-х годах, теоретики искали способы ее расширения. Один из классов моделей, о которых идет речь, называется теориями великого объединения (ТВО). Стандартная модель объединила электромагнитное и слабое ядерное взаимодействия в единое электрослабое взаимодействие, однако сильное ядерное взаимодействие осталось независимым. В рамках ТВО делаются попытки объединить сильное взаимодействие с другими силами.
Большинство ТВО предусматривают бариогенезис — формирование барионной асимметрии наряду с лептогенезисом — образованием лептонной асимметрии. Возможный механизм этих процессов, основанный на оригинальном предположении, которое выдвинул в 1967 году известный советский физик и диссидент Андрей Сахаров
, показан на рис. 11.4. В нем задействованы новый калибровочный бозон, называемый Х-бозоном, и его античастица.
Рис. 11.4. Механизм нарушения законов сохранения лептонного и барионного зарядов: а — два антикварка аннигилируют с образованием Х-бозона, превращаясь в кварк и электрон. Барионный и лептонный заряды каждого из них равны 1; б — та же реакция, но с античастицами вместо частиц с соответствующим снижением барионного и лептонного зарядов на единицу. Вследствие нарушения СР-симметрии скорость реакции а выше, чем реакции б, поэтому барионов и лептонов образуется больше, чем их античастиц. Авторская иллюстрация
Простейшая из ранних ТВО была предложена Говардом Джорджи и Шелдоном Глэшоу в 1974 году
. Я буду называть ее ГГ-ТВО (в научном мире она называется минимальной SU(5)-моделью). Ее достоинство заключалось в возможности предсказать время жизни протона, составляющее, согласно этой модели, 1032 лет.
В поисках распада протона
Существующих научно-технических возможностей было вполне достаточно, чтобы проверить предсказанное в рамках ГГ-ТВО время жизни протона, и вскоре были проведены четыре эксперимента по регистрации его распада. Эти эксперименты проводились в шахтах глубоко под землей, чтобы минимизировать фоновое излучение, в особенности от летящих из космоса высокоэнергетических мюонов, способных проникнуть глубоко под землю. По меньшей мере два из этих экспериментов вполне позволили бы обнаружить распад протона в случае, если время его жизни составляет 1032 лет или меньше. Один из них проводился в соляной шахте около Кливленда и получил название 1MB в честь трех основных учреждений, задействованных в нем (Калифорнийский университет в Ирвайне, Мичиганский университет и Брукхейвенская национальная лаборатория). В эксперименте участвовали мои коллеги из Гавайского университета. Еще один высокочувствительный эксперимент проводился в цинковой шахте японского поселка Камиоки и получил название Kamiokande — Камиоканский эксперимент по поиску нуклонного распада (Kamioka Nucleon Decay Experiment).
К 1982 году ученые, проводившие все четыре эксперимента, сообщили, что на уровне, предсказанном ГГ-ТВО, распад протона обнаружить не удалось. Таким образом, модель была опровергнута (что бы ни утверждали некоторые философы, научные теории действительно иногда опровергаются). К сожалению, ни одна из оставшихся ТВО не предусматривала доступного измерению срока жизни протона или каких-либо иных осуществимых вариантов экспериментальной проверки.
Чувствительность экспериментов продолжает повышаться, лучшим является усовершенствованный эксперимент в Камиоки, названный Super-Kamiokande (Super-K). Мне удалось немного поучаствовать в этом эксперименте, прежде чем я оставил исследовательскую деятельность в 2000 году. В 2011 году в эксперименте Super-K было найдено наиболее точное на сегодня значение нижнего предела времени распада протона, составляющее 1,01∙1034 лет, что на два порядка выше, чем прогноз ГГ-ТВО
.
