Объединяются ли на самом деле все три квантовых взаимодействия в единое?

3 часа назад Прокомментировать Просмотры: 3

Справа изображены калибровочные бозоны — переносчики трёх фундаментальных квантовых взаимодействий Вселенной. Электромагнитное взаимодействие переносится одним фотоном, слабое — тремя бозонами, сильное — восемью. Стандартная модель объединяет три группы: U(1), SU(2) и SU(3), частицы и взаимодействия которых составляют известную нам картину мира. Несмотря на успехи этой модели, она оставляет немало вопросов без ответа. Источник: Daniel Domingues/CERN

Идея великого объединения во Вселенной привлекательна и захватывающа. Но природа не обязана соответствовать нашим ожиданиям.

Итан Сигел, 27 октября 2026 года

Главное:

В современной Вселенной известны три взаимодействия, имеющие квантовую природу: электромагнитное, слабое ядерное и сильное ядерное.
Эти взаимодействия не вполне независимы: электромагнитное и слабое связаны друг с другом и при высоких энергиях объединяются в электрослабое взаимодействие.
Есть серьёзные основания предполагать, что при ещё более высоких энергиях все три взаимодействия сливаются в единое «супервзаимодействие». Эта концепция известна как великое объединение. Но происходит ли оно в действительности или остаётся лишь умозрительной теоретической конструкцией?

Во Вселенной действует несколько фундаментальных взаимодействий, которые на первый взгляд не зависят друг от друга. Гравитация отвечает за притяжение объектов, обладающих массой и/или энергией; её описывает общая теория относительности Эйнштейна через кривизну пространства-времени. Электромагнетизм проявляется в том, что электрически заряженные частицы и частицы, создающие электрические или магнитные поля, испытывают влияние окружающих зарядов и полей. Слабое ядерное взаимодействие позволяет частицам менять тип и распадаться, превращаясь из более тяжёлых в более лёгкие. Сильное ядерное взаимодействие удерживает атомные ядра и связывает кварки и антикварки в адроны.

Мы пока не знаем наверняка, имеет ли гравитация квантовую природу. Зато три остальных взаимодействия — электромагнитное, слабое ядерное и сильное ядерное — описываются квантовыми теориями поля. На изучение этих взаимодействий ушли десятилетия, и теперь мы знаем, что как минимум два из них, электромагнитное и слабое, взаимосвязаны. Это не полностью самостоятельные силы, а два проявления более фундаментального единого электрослабого взаимодействия, симметрия которого нарушена при низких энергиях.

Отсюда возникает естественный вопрос: не присоединяется ли при ещё более высоких энергиях к электрослабому взаимодействию сильное? В этом и заключается центральная идея великого объединения, или теорий великого объединения (ТВО). Мы не знаем, происходит ли такое объединение в природе и, если да, при каких условиях, на каком энергетическом масштабе и в рамках какой теории. Тем не менее эта захватывающая гипотеза по-прежнему привлекает теоретиков и побуждает учёных искать экспериментальные свидетельства. Вот что именно они пытаются обнаружить.

Согласно идее объединения, три взаимодействия Стандартной модели, а возможно, при ещё более высоких энергиях и гравитация, описываются единой теорией. Эта гипотеза остаётся популярной и математически привлекательной, но прямых доказательств её применимости к реальному миру пока нет. Из всех предполагаемых объединений подтверждено только электрослабое. Источник: ABCC Australia, 2015 — Согласно идее объединения, три взаимодействия Стандартной модели, а возможно, при ещё более высоких энергиях и гравитация, описываются единой теорией. Эта гипотеза остаётся популярной и математически привлекательной, но прямых доказательств её применимости к реальному миру пока нет. Из всех предполагаемых объединений подтверждено только электрослабое. *Источник: ABCC Australia, 2015*

Глядя на схему элементарных частиц Стандартной модели, легко прийти к следующему выводу:

фотон переносит электромагнитное взаимодействие, которому подвержены только электрически заряженные частицы;
W- и Z-бозоны переносят слабое ядерное взаимодействие, действующее исключительно на частицы, обладающие своего рода слабым зарядом;
глюоны переносят сильное ядерное взаимодействие, действующее только на частицы с цветовым зарядом: кварки, антикварки и сами глюоны.

Такую упрощённую картину используют часто, и в целом она верна. Для большинства практических задач это достаточно точное приближение, поэтому обычно можно обойтись без дополнительных оговорок и тонкостей.

Однако именно в подобных тонкостях фундаментальная физика нередко обнаруживает путь к новым прорывам. Слабое взаимодействие устроено сложнее, чем предполагает представление о некоем едином «слабом заряде». В Стандартной модели кварки участвуют во всех трёх взаимодействиях, заряженные лептоны — только в электромагнитном и слабом, а нейтральные лептоны, или нейтрино, — только в слабом. Подробное изучение этих особенностей привело к замечательному открытию — электрослабому объединению. Оно стало первым успешным объединением взаимодействий со времён Максвелла, связавшего электричество и магнетизм.

На схеме частиц Стандартной модели верхний ряд занимают фермионы, средний — калибровочные бозоны, нижний — бозон Хиггса. Линии показывают связи между частицами: синие обозначают, в каких взаимодействиях участвуют фермионы. Частицы, имеющие массу, связаны с полем Хиггса; безмассовые фотон и глюоны с ним не связаны. Гипотетический гравитон, не показанный на схеме, взаимодействует со всем, что обладает энергией, включая все частицы и античастицы. Существование новых частиц могло бы косвенно проявиться при высокоточных измерениях и сравнении их результатов с предсказаниями Стандартной модели. Источник: TriTertButoxy/Stannered, английская Википедия — На схеме частиц Стандартной модели верхний ряд занимают фермионы, средний — калибровочные бозоны, нижний — бозон Хиггса. Линии показывают связи между частицами: синие обозначают, в каких взаимодействиях участвуют фермионы. Частицы, имеющие массу, связаны с полем Хиггса; безмассовые фотон и глюоны с ним не связаны. Гипотетический гравитон, не показанный на схеме, взаимодействует со всем, что обладает энергией, включая все частицы и античастицы. Существование новых частиц могло бы косвенно проявиться при высокоточных измерениях и сравнении их результатов с предсказаниями Стандартной модели. *Источник: TriTertButoxy/Stannered, английская Википедия*

Важная идея возникла в начале 1960-х годов. Физика сильных взаимодействий к тому времени уже давно оперировала понятием изоспина — симметрии «ароматов», связанной с тем, что сегодня мы назвали бы «верхней» и «нижней» разновидностями частиц. Например, протон, содержащий два верхних (u) кварка и один нижний (d), имеет более «верхний» изоспин, чем нейтрон, состоящий из одного верхнего и двух нижних кварков и обладающий более «нижним» изоспином.

В теории слабого взаимодействия аналогичное понятие получило название слабого изоспина. Левохиральные частицы с положительным электрическим зарядом имеют положительный слабый изоспин — к ним относятся позитроны, верхние кварки, нижние антикварки и другие. Частицы с отрицательным электрическим зарядом обладают отрицательным слабым изоспином: это электроны, верхние антикварки, нижние кварки и так далее. Нейтральные нейтрино, являющиеся левохиральными фермионами, имеют положительный слабый изоспин, а нейтральные антинейтрино — отрицательный.

Некогда слабый изоспин считали аналогом «слабого заряда», но этой картины оказалось недостаточно. Первоначально предполагалось, что слабое взаимодействие переносится только W-бозонами, а все частицы являются исключительно левохиральными. Однако в таком случае частицы были бы безмассовыми, а симметрия CP — замена частиц зеркально отражёнными версиями их античастиц — была бы точной. Поэтому возникла более сложная теория, согласно которой:

наряду с электрически заряженными W-бозонами существует нейтральный Z-бозон;
наблюдаемые заряженные фермионы — кварки и заряженные лептоны — представляют собой суперпозиции левохиральных и правохиральных частиц, благодаря чему могут иметь массу;
кроме «слабого заряда», или слабого изоспина, который сам по себе не сохраняется, существует другое квантовое число, связывающее электрический заряд со слабым изоспином, — слабый гиперзаряд. Он тоже не сохраняется сам по себе: сохраняется лишь определённая комбинация слабого изоспина и слабого гиперзаряда.

Диаграмма слабого изоспина T3, слабого гиперзаряда YW и цветового заряда всех известных элементарных частиц повёрнута на угол слабого смешивания, чтобы электрический заряд Q располагался почти вертикально. Нейтральное поле Хиггса, обозначенное серым квадратом, нарушает электрослабую симметрию и взаимодействует с другими частицами, придавая им массу. Схема отражает структуру частиц, основанную как на математике, так и на физике. Источник: Cjean42/Wikimedia Commons — Диаграмма слабого изоспина T₃, слабого гиперзаряда Y_W и цветового заряда всех известных элементарных частиц повёрнута на угол слабого смешивания, чтобы электрический заряд Q располагался почти вертикально. Нейтральное поле Хиггса, обозначенное серым квадратом, нарушает электрослабую симметрию и взаимодействует с другими частицами, придавая им массу. Схема отражает структуру частиц, основанную как на математике, так и на физике. *Источник: Cjean42/Wikimedia Commons*

Тесная связь между слабым изоспином, слабым гиперзарядом и электрическим зарядом, а также между W-, Z-бозонами и фотоном возникает благодаря тому же механизму, который порождает бозон Хиггса. Она показала, что электромагнитное и слабое взаимодействия — не независимые силы, а составляющие единого электрослабого взаимодействия. Глядя на группы, лежащие в основе Стандартной модели и записываемые как SU(3) ⊗ SU(2) ⊗ U(1), можно предположить, что SU(3) соответствует сильному взаимодействию, SU(2) — слабому, а U(1) — электромагнитному.

Однако это не так.

В действительности часть компоненты SU(2) участвует в описании электромагнитного взаимодействия, а часть U(1) — слабого. Обе группы работают совместно, и именно сочетание SU(2) ⊗ U(1) описывает электрослабое взаимодействие. Так вкратце, без математических подробностей, выглядит история электрослабого объединения.

Остаётся ещё одно фундаментальное квантовое взаимодействие — сильное. В обычной Стандартной модели компонента SU(3), описывающая сильное взаимодействие, никак не смешивается с компонентой SU(2) ⊗ U(1), отвечающей за электрослабое. Тем не менее ряд пока необъяснимых фактов мог бы обрести смысл, если бы на некотором уровне, при определённой энергии и в рамках более общей теории эти взаимодействия действительно объединялись в одно «супервзаимодействие».

Набор частиц гипотетической группы великого объединения SU(5), включающей всю Стандартную модель и дополнительные частицы. Среди них — несколько обязательно сверхтяжёлых бозонов, обозначенных буквой X. Они сочетают свойства кварков и лептонов и делали бы протон принципиально нестабильным. То, что такие частицы не обнаружены, а протон наблюдается стабильным, служит серьёзным аргументом против этой теории. Источник: Cjean42/Wikimedia Commons — Набор частиц гипотетической группы великого объединения SU(5), включающей всю Стандартную модель и дополнительные частицы. Среди них — несколько обязательно сверхтяжёлых бозонов, обозначенных буквой X. Они сочетают свойства кварков и лептонов и делали бы протон принципиально нестабильным. То, что такие частицы не обнаружены, а протон наблюдается стабильным, служит серьёзным аргументом против этой теории. *Источник: Cjean42/Wikimedia Commons*

Начнём с математики. Теория групп выделяет несколько типов групп, в том числе:

унитарные,
специальные унитарные,
ортогональные,
специальные ортогональные,
симплектические,
исключительные.

Стандартная модель, описываемая как SU(3) ⊗ SU(2) ⊗ U(1), построена из двух специальных унитарных групп и одной унитарной.

Если обратиться к более крупным группам разных типов — начиная с SU(5) среди специальных унитарных, с SO(10) среди специальных ортогональных или к большинству исключительных групп, — выяснится, что они не только вмещают Стандартную модель целиком, но и обладают рядом интересных свойств, отсутствующих у самой модели. Прежде всего они предсказывают новые тяжёлые частицы на новом энергетическом масштабе — масштабе великого объединения, или масштабе ТВО. Эти частицы, в свою очередь, допускают целый ряд явлений, которые ещё ни разу не наблюдались.

Два возможных канала распада протона представлены как превращения его фундаментальных составляющих. Такие процессы пока не наблюдались, но теоретически допустимы во многих расширениях Стандартной модели, в том числе в теориях великого объединения на основе SU(5). Источник: J. Lopez, Reports on Progress in Physics, 1996 — Два возможных канала распада протона представлены как превращения его фундаментальных составляющих. Такие процессы пока не наблюдались, но теоретически допустимы во многих расширениях Стандартной модели, в том числе в теориях великого объединения на основе SU(5). *Источник: J. Lopez, Reports on Progress in Physics, 1996*

1) Распад протона. Если великое объединение действительно существует, протон не является стабильной частицей, какой его считает Стандартная модель. Новые взаимодействия, нарушающие сохранение барионного числа, со временем приводят к его распаду. Электрический заряд при этом должен сохраняться, а продукты распада — быть легче протона. Поэтому два основных канала выглядят так:

нейтральный мезон, например пион или каон, и положительно заряженный лёгкий лептон, например позитрон или антимюон;
положительно заряженный мезон, например пион или каон, и антинейтрино.

В этом случае нарушение барионного числа должно сопровождаться изменением лептонного числа на ту же величину.

Именно это предсказание теорий великого объединения привело к созданию Kamiokande. После модернизации установка Super-Kamiokande («Супер-Камиоканде») стала крупнейшим в мире нейтринным детектором резервуарного типа; сейчас создаётся Hyper-Kamiokande. Первоначально установка в японской шахте Камиока предназначалась не для регистрации нейтрино, хотя сегодня сочетание «nde» в её названии расшифровывают как neutrino detector experiment, а для поиска распада нуклонов: резервуар строился прежде всего для обнаружения распада протона. В 1987 году исходный детектор Kamiokande зарегистрировал нейтринный сигнал от близкой сверхновой. Развитие нейтринной астрономии впоследствии было отмечено несколькими Нобелевскими премиями по физике, в том числе премией этого года. (К сожалению, Нобелевская премия по физике 2026 года за нейтринный детектор обошла стороной и японских, и российского учёных. — Прим. переводчика) Простейшая модель великого объединения SU(5) предсказывает время жизни протона порядка 10³⁰ лет, тогда как современный экспериментальный предел составляет не менее 10³⁴ лет. Повышение этого предела ещё на три порядка потенциально позволит исключить и объединение на основе SO(10).

X- и Y-частицы — высокоэнергетичные бозоны, предсказываемые теориями великого объединения, — могут распадаться на показанные комбинации кварков и лептонов, а их античастицы — на соответствующие комбинации античастиц. При нарушении CP-симметрии, которое считается ожидаемым, доли различных каналов распада для X- и Y-частиц могут отличаться от долей для анти-X и анти-Y. В результате возникнет избыток барионов над антибарионами и лептонов над антилептонами. Источник: E. Siegel/Beyond the Galaxy — X- и Y-частицы — высокоэнергетичные бозоны, предсказываемые теориями великого объединения, — могут распадаться на показанные комбинации кварков и лептонов, а их античастицы — на соответствующие комбинации античастиц. При нарушении CP-симметрии, которое считается ожидаемым, доли различных каналов распада для X- и Y-частиц могут отличаться от долей для анти-X и анти-Y. В результате возникнет избыток барионов над антибарионами и лептонов над антилептонами. *Источник: E. Siegel/Beyond the Galaxy*

2) Возможный механизм возникновения асимметрии материи и антиматерии. Известно, что во Вселенной материи больше, чем антиматерии. Но как возник этот избыток? Обычно предполагается, что вскоре после Большого взрыва, в очень молодой Вселенной, произошло нечто, благодаря чему из первоначально симметричного состояния образовалось больше материи, чем антиматерии. Известно также, что одной физики Стандартной модели недостаточно для объяснения наблюдаемой асимметрии: на каком-то уровне необходима новая физика.

Великое объединение предлагает подходящую схему. Теория предсказывает новые сверхтяжёлые бозоны, взаимодействующие и с кварками, и с лептонами, а также допускает нарушение CP-симметрии. В таком случае в ранней Вселенной могло произойти следующее:

образовалось большое количество новых бозонов X и Y вместе с их античастицами;
частицы X и Y, а также анти-X и анти-Y распались на различные сочетания кварков и лептонов;
при этом кварков возникло больше, чем антикварков, а лептонов — больше, чем антилептонов;
в результате появилась Вселенная с асимметрией материи и антиматерии, согласующейся с наблюдениями, в том числе с наблюдаемым отношением числа барионов к числу фотонов.

Если великое объединение существует, оно может помочь решить одну из самых серьёзных открытых проблем современной теоретической физики.

Вселенную можно описывать различными уравнениями, в том числе уравнениями Максвелла. Их можно записать в разных формах, но проверить справедливость позволяет только сравнение предсказаний с наблюдениями. Вариант с магнитными монополями справа не соответствует имеющимся наблюдениям, тогда как вариант без них слева соответствует. В теориях великого объединения магнитные заряды, или монополи, необходимы, поэтому выше масштаба объединения применимым был бы вариант уравнений с монополями. Источник: Ed Murdock — Вселенную можно описывать различными уравнениями, в том числе уравнениями Максвелла. Их можно записать в разных формах, но проверить справедливость позволяет только сравнение предсказаний с наблюдениями. Вариант с магнитными монополями справа не соответствует имеющимся наблюдениям, тогда как вариант без них слева соответствует. В теориях великого объединения магнитные заряды, или монополи, необходимы, поэтому выше масштаба объединения применимым был бы вариант уравнений с монополями. *Источник: Ed Murdock*

3) В более крупных схемах великого объединения, таких как SO(10), Вселенная становится полностью лево-правосимметричной. Известно, что в Стандартной модели физики частиц Вселенная фундаментально асимметрична в нескольких важных отношениях:

Электрические заряды существуют, а магнитные заряды, или монополи, не обнаружены.
Существуют хиральные фермионы: их «левые» и «правые» компоненты участвуют во взаимодействиях по-разному. Например, взаимодействие с W-бозонами отличается от взаимодействия с Z-бозоном.
«Правые» нейтрино и «левые» антинейтрино пока не обнаружены.

В большинстве теорий великого объединения эти различия исчезают. Как правило, они предсказывают магнитные монополи, которые сделали бы уравнения Максвелла симметричными относительно электричества и магнетизма. Это также могло бы объяснить, почему электрический заряд во Вселенной квантован.

Введение правых нейтрино, предусмотренное теориями великого объединения, позволяет предложить простой механизм, объясняющий, почему массы нейтрино чрезвычайно малы, но не равны нулю.

Кроме того, в лево-правосимметричной Вселенной сохраняется чётность, или зеркальная симметрия. Наблюдаемое нарушение чётности в таком случае возникало бы вследствие спонтанного нарушения симметрии и исчезало бы выше масштаба объединения.

Если великое объединение применимо к нашей Вселенной, последствия были бы интересны во многих отношениях. Доказательств пока нет, но существует один любопытный и весьма косвенный довод в пользу этой идеи.

На рисунке представлен механизм «качелей» (see-saw), способный объяснить, почему нейтрино имеют очень малую, но ненулевую массу. Если исходные массы левых и правых частиц равны, как показано зелёными точками, а затем на одну сторону «качелей» добавляется большая масса, возникают сверхтяжёлая частица, играющая роль правого нейтрино и способная быть кандидатом в тёмную материю, и очень лёгкое обычное левое нейтрино. При таком механизме левые нейтрино вели бы себя как майорановские частицы. Источник: E. Siegel / общественное достояние — На рисунке представлен механизм «качелей» (see-saw), способный объяснить, почему нейтрино имеют очень малую, но ненулевую массу. Если исходные массы левых и правых частиц равны, как показано зелёными точками, а затем на одну сторону «качелей» добавляется большая масса, возникают сверхтяжёлая частица, играющая роль правого нейтрино и способная быть кандидатом в тёмную материю, и очень лёгкое обычное левое нейтрино. При таком механизме левые нейтрино вели бы себя как майорановские частицы. *Источник: E. Siegel / общественное достояние*

Каждому взаимодействию в физике соответствует собственная константа связи, характеризующая его силу. Сегодня электромагнитная константа мала и составляет около 1/137. Константа слабого взаимодействия тоже невелика, хотя и больше электромагнитной: примерно 1/30. Константа сильного взаимодействия заметно больше — около 1/9.

При этом значения констант связи зависят от энергии:

С ростом энергии электромагнитная константа увеличивается.
Слабая константа при повышении энергии изменяется так, что приближается к электромагнитной.
Константа сильного взаимодействия при росте энергии уменьшается и сближается с двумя другими.

При очень высоких энергиях, сравнимых с предполагаемым масштабом великого объединения, все три константы почти сходятся в одной точке. Они не пересекаются, но расхождение между ними невелико. При этом нынешние энергетические масштабы — примерно на уровне миллиэлектронвольта — и масштаб великого объединения, составляющий около 10¹⁵ гигаэлектронвольт, разделяют 27 порядков величины.

Зависимость трёх фундаментальных констант связи — электромагнитной, слабой и сильной — от энергии в Стандартной модели слева и при добавлении суперсимметричных частиц справа. Почти сходящиеся линии указывают на возможность их встречи, если за пределами Стандартной модели существуют новые частицы или взаимодействия. Однако расхождение констант само по себе вполне согласуется с предсказаниями Стандартной модели. Даже их схождение в суперсимметричных сценариях SUSY не обязательно имеет отношение к реальному миру. Источник: W.-M. Yao et al. (Particle Data Group), J. Phys. (2006) — Зависимость трёх фундаментальных констант связи — электромагнитной, слабой и сильной — от энергии в Стандартной модели слева и при добавлении суперсимметричных частиц справа. Почти сходящиеся линии указывают на возможность их встречи, если за пределами Стандартной модели существуют новые частицы или взаимодействия. Однако расхождение констант само по себе вполне согласуется с предсказаниями Стандартной модели. Даже их схождение в суперсимметричных сценариях SUSY не обязательно имеет отношение к реальному миру. *Источник: W.-M. Yao et al. (Particle Data Group), J. Phys. (2006)*

Даже без введения новых частиц, взаимодействий или связей тот факт, что расхождение констант составляет менее трёх порядков, как видно на логарифмическом графике, представляет собой примечательную проблему тонкой настройки — загадку с точки зрения естественности. Даже идеальное схождение констант само по себе не доказывало бы великого объединения. Тем не менее, если бы они действительно встретились в одной точке и затем просто продолжили изменяться каждая своим путём, это выглядело бы весьма необычным совпадением: при случайном выборе параметров трёх кривых такое пересечение математически крайне маловероятно.

И всё же протон по-прежнему кажется стабильным, магнитные монополи не обнаружены, а поиски безнейтринного двойного бета-распада, который свидетельствовал бы о майорановской природе нейтрино, предсказываемой великим объединением, пока не дали результата. При всей привлекательности этой идеи мы располагаем лишь ограничениями на соответствующие сценарии. Это не исключает того, что объединение может существовать на каком-то уровне и описывать нашу Вселенную. Но до появления более убедительных свидетельств, выходящих за пределы косвенных доводов, гипотезу следует считать умозрительной. Как бы ни была она захватывающей, у нас пока нет данных, позволяющих утверждать, что во Вселенной существует объединение, выходящее за рамки электрослабой теории.

Источник

Comments - Cackle

Похожие статьи