Wielka unifikacja



Dla oddziaływań silnych (kolorowych) z trzema ładunkami kolorowymi R, G, B grupą symetrii jest SU(3). Grupa ta posiada osiem nośników takich oddziaływań, którymi są bezmasowe gluony. Oddziaływania słabe mają grupę symetrii SU(2), w której są trzy nośniki oddziaływań, a mianowicie bozony W+, W-- i Z0. Oddziaływania elektromagnetyczne, których nośnikiem są fotony,  posiadają grupę symetrii U(1). W poprzednim rozdziale omówiona została tak zwana mała unifikacja, dla której znaleziono wspólną grupę symetrii, czyli SU(2)·U(1) (oddziaływanie elktrosłabe).


Wielka unifikacja polega na połączeniu teorii SU(3) i małej unifikacji SU(2)·U(1) w jedną teorię SU(5). Pięcioma cząstkami tej grupy mogą być, na przykład dwa, leptony: e- i  oraz trzy kolory antykwarku (, , ). Każdy z antykwarków ma ładunek elektryczny równy +1/3, więc całkowita suma ładunków trzech antykwarków, elektronu i neutrina elektronowego jest równa zeru. Warunek taki jest konieczny ze względu na to, że ładunek elektryczny w przyrodzie musi być zachowany. Teoria SU(5) posiada 24 nośniki sił. Należą do nich:

1)      foton - bez ładunku elektrycznego, słabego oraz kolorowego;

2)      bozony W±  z ładunkami elektrycznymi i słabymi ±1 i Z0 z ładunkiem elektrycznym i słabym równym zeru; żaden z nich nie posiada ładunku kolorowego;

3)      osiem glonów z ładunkami kolorowymi, ale bez ładunku elektrycznego i słabego;

4)      pozostałe 12 nośników (oznaczono je literą X) , które należy obdarzyć ładunkami kolorowymi, słabymi i elektrycznymi.


Cząstkom X, które niosą dowolny z trzech kolorów, przypisano ładunki elektryczne równe ±4/3 lub ±1/3. Ładunki słabe zaś są równe:

+1/2, gdy ładunek elektryczny wynosi ±4/3;

-1/2, gdy ładunek elektryczny wynosi ±1/3.


Bozony X przenoszą nową siłę, która może spowodować przemianę kwarków w leptony:


Rys.1. Przemiana kwarków w leptony.

 

jak również przemianę kwarków w antykwarki:

 


Rys.2. Przemiana kwarków w antykwarki.


Cząstka

Masa [GeV]

 Odległość [cm]
 Intensywność oddziaływania
pion 0,1
 10-12
 silne na odległości rzędu rozmiarów jądra10-12cm
bozon W
 100
 10-15
 słabe na odległości rzędu rozmiaru jądra
bozon X
 1015
 10-29
 słabe na odległości rzędu rozmiarów protonu (rozpad protonu)

Tabela: Miara intensywności oddziaływania i zasięg wybranych cząstek.

 

Teoria wielkiej unifikacji przewiduje, że cząstki X mogą wytworzyć tak silne oddziaływania między kwarkami, że spowodują rozpad protonu w reakcji:



Zamiana kwarków w leptony oraz kwarków w antykwarki spowodowałaby, że z układu kwarkowego protonu po rozpadzie otrzyma się układ kwarków pionu oraz pozytonu. Rozpad protonu można zilustrować następująco:


Rys.3. Rozpad protonu.

 

Rozmiary protonu są rzędu 10-12cm . Jest to ogromny rozmiar w porównaniu z zasięgiem oddziaływań, które przenoszą bozony X. Hipotetyczna zmiana kwarku na lepton w protonie byłaby zjawiskiem bardzo rzadkim. Prawdopodobieństwo rozpadu protonu wedle tego modelu szacuje się jako raz na 1030 lat. Ewentualny rozpad protonu łamałby zasadę zachowania liczby barionowej oraz liczby leptonowej. Zatem oddziaływania przenoszone przez bozony X nie zachowują liczby baronowej.


idź do spisu treści