 |
Can the forces of Nature be unified?
|
|
|
|
Can the forces of Nature be unified?
Perhaps the most tantalizing effect of QCD asymptotic freedom is that it opens up the possibility of a unified description of Nature’s forces. When examining the energy dependence of the coupling constants for the electromagnetic, the weak and the strong interaction, it is evident that they almost, but not entirely, meet at one point and have the same value at a very high energy. If they do indeed meet at one point, it may be assumed that the three interactions are unified, an old dream of physicists, who would like to describe the laws of Nature in the simplest language possible (fig. 4).
|
| Fig. 4. Running coupling constants in the Standard Model (left) and with the introduction of supersymmetry (right). In the Standard Model the three lines, which show the inverse value of the coupling constant for the three fundamental forces, do not meet at one point, but with the introduction of supersymmetry, and assuming that the supersymmetric particles are not heavier than about 1 TeV/c2, they do meet at one point. Is this an indication that supersymmetry will be discovered at the next accelerator at CERN, the Large Hadron Collider, or is it merely a coincidence? |
However, the Standard Model needs some modification if the dream of the unification of the forces of Nature is to be realised. One possibility is to introduce a new set of particles, supersymmetric particles, that may have a small enough mass to be investigated at the LHC accelerator that is now being built at CERN in Geneva.
If supersymmetry is discovered, it will also imply strong support for string theories that may even unify gravitation with the other three interactions. The Standard Model also needs modification to incorporate the recently discovered properties of neutrinos — that they have a mass different from zero. In addition, perhaps this will lead to an explanation of a number of other cosmological enigmas such as the dark matter that seems to dominate space. Regardless of this development, it is clear that the fantastic and unexpected discovery of asymptotic freedom in QCD (fig. 5) has profoundly changed our understanding of the ways in which the basic forces of Nature in our world work.
| Fig. 5. The formula that describes the discovery. Here: g: coupling constant, Nc: number of colours (= 3 in QCD), NF: number of quarks (= 6 in the Standard Model) |
(http: //www. nobelprize. org/nobel_prizes/physics/laureates/2004/public. html)
Exercises
1) Give Russian equivalents for the terms and explain their meaning in English.
QCD asymptotic freedom, fine structure constant (coupling constant), perturbation calculation, force carrier, quark colour change, quark-antiquark particle, supersymmetric particles, string theories
|
|
|
2) Say what the main achievements of the following people are in describing the forces governing the microcosmos.
Sinitiro Tomonaga, Julian Schwinger, Richard Feynman, Gerardus’t Hooft, Martinus Veltman, Hideki Yukawa, Kurt Sumanzik, David J. Gross, H. David Politzer, Frank A. Wilczek
3) Translate the sentences into English.
a) Адроны — это класс элементарных частиц, подверженных сильному взаимодействию. Адроны делятся на барионы, состоящие из трех кварков (в частности, к ним относятся протоны и нейтроны), и мезоны (пионы, каоны и др. ), состоящие из кварка и антикварка.
b) Как выяснилось в 1960-е, элементарные частицы состоят из частиц, в настоящий момент рассматриваемых как истинно элементарные и называемых кварками. Кварк — фундаментальная частица Стандартной модели, имеющая элементарный заряд, кратный e/3, и не наблюдающаяся в свободном состоянии. Выдвигаются гипотезы, по которым кварки также состоят из более простых частиц (преонов). Однако данные гипотезы пока что не получили никакого подтверждения.
c) Бозоны и фермионы — частицы с целым (в случае бозона) или полуцелым (в случае фермиона) значением спина. К фермионам относятся кварки, электроны, мюоны, нейтрино и другие частицы.
d) Джордж Цвейг предложил гипотезу о существовании кварков в 1964 году. Он назвал кварки «тузами», поскольку предполагал, что существует всего четыре кварка. Марри Гелл-Ман постулировал кварковую модель элементарных частиц в 1964 году. Имя кваркам Гелл-Ман нашел в книге Джеймса Джойса «Поминки по Финнегану», где в одном из эпизодов говорится «Три кварка для мистера Марка! ».
e) Бертон Рихтер отметил, что открытие J/ψ мезона было делом случая. К середине 1970-х годов была уже построена общая теория субатомных частиц, имеющая в своем составе u-, d- и s-кварки. В ней не было места частицам, имеющим хоть один дополнительный кварк.
f) Открытие нового мезона было признано достижением революционного масштаба. Новая частица была столь массивной, что никак не могла состоять из «старых» кварков. Стало очевидно, что Стандартная модель нуждалась в расширении.
|
|
|
g) Сейчас известно, что J/ψ представляет собой мезон, связанное состояние с-кварка и его антикварка. Поскольку очарование с-кварка равно 1, а с-антикварка —1, очарование мезона J/ψ равно 0. Его массу неоднократно уточняли в экспериментах и, по последним данным, она равна 3, 0969 ГэВ (масса с-кварка составляет 1, 29 ГэВ)[1].
h) Весомое доказательство в пользу теории квантовой электродинамики было предоставлено благодаря столкновениям электронов и их античастиц, позитронов, приводящим к их взаимной аннигиляции.
|
|
|
