Згідно з теорією Вайнберґа — Салама, при енергіях, значно вищих за 100 ГеВ, три нові частинки і фотон поводяться аналогічним чином, а при нижчих енергіях, тобто в більшості звичайних ситуацій, ця симетрія між частинками буде порушена. W+, W– і Z0 набували б великих мас, а створювані ними сили мали б дуже малий радіус дії. Коли Вайнберґ і Салам висунули свою теорію, їм мало хто повірив, а пришвидшувачі частинок не були достатньо потужні, щоб досягти енергії 100 ГеВ, необхідної для народження реальних W+, W– і Z0 частинок. Однак років десь через десять інші передбачення теорії щодо нижчих енергій так добре узгодилися з експериментом, що 1979 року Вайнберґ і Салам були удостоєні Нобелівської премії разом з Шелдоном Ґлешоу (теж з Гарварду), який запропонував схожу єдину теорію електромагнетних і слабких ядерних сил. Нобелівському комітетові не довелося пекти рака за можливу помилку, бо 1983 року в ЦЕРНі (Европейському центрі ядерних досліджень) відкрито трьох масивних партнерів фотона з правильно передбаченими значеннями маси та іншими властивостями. Карло Рубія, що очолював команду з декількох сотень фізиків, яка зробила це відкриття, отримав Нобелівську премію 1984 року разом з інженером ЦЕРНу Симоном Ван дер Меєром, що розробив систему накопичення античастинок, яка була використана. (У наші дні дуже важко залишити свій слід в експериментальній фізиці, хіба що ви вже на вершині!)
Четверта категорія — сильна ядерна сила (взаємодія)[21], що утримує разом кварки в протоні та нейтроні, а протони і нейтрони — в атомному ядрі. Вважають, що цю силу переносить ще одна частинка зі спіном 1, названа глюоном, що взаємодіє тільки з глюонами та кварками. Сильна ядерна сила має одну незвичну властивість, названу конфайнментом (утримуванням): частинки завжди пов’язуються разом у комбінаціях, що не мають кольору. Не можна мати одного кварка самого по собі, бо він матиме колір (червоний, зелений або синій). Натомість, червоний кварк має бути з’єднаний із зеленим і синім «низкою» глюонів (червоний + зелений + синій = білий). Такий триплет утворює протон або нейтрон. Є інша можливість: коли кварк і антикварк об’єднуються в пару (червоний + античервоний, або зелений + антизелений, або синій + антисиній = білий). Такі комбінації складають частинки, відомі як мезони; вони нестабільні, бо кварк і антикварк можуть анігілювати один з одним, утворюючи електрони та інші частинки. Аналогічно, конфайнмент запобігає наявності окремого, самого по собі глюона, бо глюони теж мають колір. Замість цього, має бути набір глюонів, щоб їхні кольори в сумі давали білий. Такий набір утворює нестабільну частинку, названу глюболом.
Через те, що конфайнмент запобігає спостереженню поодинокого кварка або глюона, може здатися, що саме поняття про кварки і глюони як частинки дещо метафізичне. Однак є ще одна властивість сильної ядерної сили, названа асимптотичною свободою, що робить поняття кварків і глюонів добре означеним. За звичайних енергій сильна ядерна сила дійсно сильна і щільно пов’язує кварки разом. Проте, як показують експерименти на потужних пришвидшувачах, при високих енергіях сильна взаємодія набагато слабкіша, а кварки та глюони поводяться як майже вільні частинки. На рис. 5.2 показано фотографію зіткнення високоенергетичних протона і антипротона. Успіх об’єднання електромагнетних і слабких ядерних сил привів до низки спроб об’єднати ці дві сили з сильною ядерною в так званій теорії великого об’єднання (або ТВО). Ця назва швидше перебільшення: сумарні теорії і не такі всі великі, і не цілком об’єднані, бо в них не входить гравітація. І при цьому вони насправді не повні теорії, бо містять низку параметрів, значення яких не можна передбачити з теорії, а їх треба вибирати, щоб узгодити з експериментом. Проте вони можуть бути кроком до повної, цілком єдиної теорії. Основна ідея теорій великого об’єднання полягає в такому: як уже згадано вище, сильна ядерна сила стає слабкіша при високих енергіях. З іншого боку, електромагнетні та слабкі сили, які не є асимптотично вільні, при високих енергіях сильнішають. За якоїсь дуже великої енергії, так званої енергії великого об’єднання, всі ці три сили матимуть таку саму величину і стали б просто різними сторонами єдиної сили. Теорії великого об’єднання також передбачають, що при цій енергії різні частинки речовини зі спіном 1/2, такі як кварки і електрони, всі будуть, по суті, однакові, тим самим досягаючи ще одного об’єднання.
Значення енергії великого об’єднання не дуже добре відоме, але воно, напевно, має становити щонайменше тисячу мільйонів мільйонів ГеВ. У пришвидчувачах нинішнього покоління можуть зіштовхуватися частинки з енергіями близько 100 ГеВ, а в планованих машинах ця величина зросте до декількох тисяч ГеВ. Але машина, яка була б досить потужна, щоб пришвидшувати частинки до енергії великого об’єднання, мала б бути така велика, як Сонцева система, і навряд чи буде профінансована за умов нинішнього економічного клімату. А отже неможливо безпосередньо експериментально перевірити теорії великого об’єднання. Однак, як і в разі електрослабкої єдиної теорії, існують низькоенергетичні наслідки, які перевірити можна.
Найцікавіший з них — передбачення, що протони, які становлять більшу частину маси звичайної речовини, можуть спонтанно розпадатися на легші частинки, такі як антиелектрони. Причина в тому, що, можливо, при енергії великого об’єднання немає істотної різниці між кварком і антиелектроном. Три кварки всередині протона зазвичай не мають достатньо енергії для перетворення на антиелектрони, але один з кварків може зовсім випадково дістати одного разу енергію, достатню для такого переходу, бо принцип невизначеності означає, що енергія кварків усередині протона не може бути точно фіксована. Протон міг би тоді розпастися. Ймовірність того, що кварк дістане достатню енергію, така мала, що, можливо, чекати цього доведеться принаймні мільйон мільйонів мільйонів мільйонів мільйонів (одиниця з тридцятьма нулями) років. Це набагато більше за час, що минув з моменту Великого вибуху, який не перевищує десяти мільярдів років чи близько того (одиниця з десятьма нулями). Отже, можна було б подумати, що можливість спонтанного розпаду протона не можна перевірити експериментально. Можна, однак, збільшити шанси виявити розпад протона, спостерігаючи велику кількість речовини, що містить дуже велике число протонів. (Якщо спостерігати, наприклад, один з тридцятьма одним нулем протонів протягом року, можна було б сподіватися виявити, згідно з найпростішою теорією великого об’єднання, більш ніж один розпад протона.)
Рис. 5.2. Протон і антипротон зіштовхуються при високій енергії, утворюючи кілька майже вільних кварків.
21
В англійській мові вживають сполуки