Фундаментальные взаимодействия. 
Фундаментальные микрочастицы

Основные сравнительные характеристики фундаментальных взаимодействий нами сгруппированы в схеме 26.

Схема 26. Основные сравнительные характеристики фундаментальных взаимодействий.

В настоящее время известные фундаментальные взаимодействия считаются проявлением единого фундаментального взаимодействия. Такой подход задает современная физическая исследовательская программа — единая теория поля.

Уже имеются отдельные фрагменты единой теории: например, теория объединения электромагнитного и слабого, экспериментально исследованная с помощью ускорителей, а также теория великого объединения электромагнитного, слабого и сильного взаимодействий.

Основополагающие гипотезы этих теорий и соответствующий математический («кодовый») аппарат исследуются на большом адронном коллайдаре (БАК) (англ. сollider — сталкиватель), в котором пучки частиц (протонов или тяжелых ионов свинца) ускоряются в противоположных направлениях и сталкиваются в специальных точках столкновения. Основным предметом исследования на БАК является физический вакуум. Используемые энергии — 0,92,36 и 7 ТэВ планируется довести до 14 ТэВ (1 ТэВ=10¹²эВ=10³ГэВ).

Объединение всех фундаментальных взаимодействий основано на том, что различия между ними проявляются только при малых энергиях; при больших энергиях они объединяются в единое взаимодействие: электромагнитное и слабое взаимодействия объединяются при энергиях порядка 10² ГэВ, что соответствует температуре 10¹⁵ К; электромагнитное, слабое и сильное взаимодействия объединяются при энергиях порядка 10¹⁴ ГэВ, что соответствует температуре 10²⁷ К; все виды взаимодействий, вероятно, объединяются при энергиях порядка 10¹⁹ ГэВ, что соответствует температуре 10³² К (такие условия соответствуют ранней стадии возникновения Вселенной в стандартной теории «Большого взрыва»).

Обратим внимание, что используемые энергии на большом адронном коллайдаре (БАК) достаточны для проверки теории электрослабого взаимодействия, т. е. объединения электромагнитного и слабого взаимодействий. При этом возникает возможность обнаружения бозонов Хиггса. Бозон Хиггса является квантом так называемого поля (конденсата) Хиггса, при прохождении через которое частицы испытывают сопротивление, представляемое как механизм возникновения массы во Вселенной. Хиггсовский механизм нарушения симметрии электрослабого взаимодействия и его изучение возможно натолкнет физиков на новую теорию объединения, более глубокую, чем стандартная модель, представленная схематически в схеме 27. Сам коллайдер назван большим из-за своих размеров: длина основного кольца ускорителя 26 659 м; адронным — из-за того, что ускоряет адроны, т. е. тяжелые частицы, состоящие из кварков, что позволяет исследовать кварко-глюонную плазму.

Схема 27. Структура теории «Великого объединения».

Схема ТВО не включает объединения гравитационного взаимодействия с другими взаимодействиями из-за практически отсутствующего воздействия гравитации не интенсивность остальных взаимодействий и на ход реакций превращения элементарных частиц, хотя теоретические схемы такого «Сверхвеликого объединения» разрабатываются на основе объединения супергравитации с внутренней симметрией ОТО. Данная теория вводит частицы-переносчики со спином S=2 (гравитоны) и частицы со спином S=3/2 (гравитино). Важную роль в схемах такого объединения играет теория струн, а также новые представления о суперсимметрии, связывающей между собой бозоны (переносчики) и фермионы (кварки и лептоны).

Итак, в теориях объединения фундаментальных взаимодействий особая роль принадлежит систематике элементарных частиц с выделением фундаментальных микрочастиц (см. схему 28).

Схема 28. Систематика фундаментальных микрочастиц.

Как мы отмечали ранее, различают, исходя из целочисленного или полуцелочисленного значения собственного момента импульса микрочастицы — спина, бозоны — частицы «коллективисты» и фермионы — частицы «индивидуалисты». При этом если опираться на систематику фундаментальных микрочастиц, то фермионы задают вещественную форму материи, а бозоны — полевую.