W-бозон является частицей со спином 1 (как фотон и глюон), он изменяет «аромат» кварков и переносит их заряд: d-кварк с зарядом – ⅓ превращается в u-кварк с зарядом +⅔ – разница зарядов равна –1. («Цвет» кварка при этом не меняется.) Поскольку W – бозон переносит заряд –1 (и его античастица W+ переносит заряд +1), он взаимодействует также с фотонами. Бета-распад протекает гораздо медленнее, чем взаимодействие фотонов и электронов, поэтому считается, что W-бозон в отличие от фотона и глюона должен иметь очень большую массу (порядка 80 000 МэВ). Сам по себе W-бозон не наблюдается, поскольку для «выбивания» частицы с такой большой массой требуется очень большая энергия
[30].
Рис. 86. С одной стороны, W-бозон взаимодействует с элек-троном и нейтрино, и с другой – с d-кварком и u-кварком
Есть и другая частица, которую можно считать нейтральным W-бозоном, она называется «Z 0-бозон». Z 0-бозон не меняет заряд кварка, но взаимодействует с d-кварком, u-кварком, электроном или нейтрино (см. рис. 87). Это взаимодействие носит вводящее в заблуждение название «нейтральные токи». Его открытие несколько лет назад вызвало большое волнение.
Рис. 87. Когда ни у одной из частиц заряд не меняется, W-бозон тоже не заряжен (он в этом случае называется Z0-бозоном). Такие взаимодействия называются «нейтральными токами». Здесь показаны две возможности.
Теория W-бозонов строга и изящна, если вы учитываете трехчастичное взаимодействие между тремя типами W-бозонов (см. рис. 88). Наблюдаемая константа связи W-бозонов близка к электромагнитной: лежит в окрестности j. Поэтому не исключено, что три W-бозона и фотон являются разными сторонами одного явления. Стивен Вайнберг и Абдус Салам попробовали объединить в единую квантовую теорию квантовую электродинамику и так называемые «слабые взаимодействия» (взаимодействия через W-бозоны). И они это сделали. Но даже просто посмотрев на полученные ими результаты, вы, так сказать, увидите белые нитки. Совершенно очевидно, что фотон и три W-бозона каким-то образом связаны, но на современном уровне понимания эта связь ясно не видна: все еще мешают «швы» в теориях. Их до сих пор не удалось разгладить и сделать эту связь красивее и, значит, наверное, правильнее.
Рис. 88. Между W-, его античастицей W+ и нейтральным W-бозоном (Z0-бозоном) возможно взаимодействие. Константа связи для взаимодействия между W-бозонами ле-жит в окрестности j. На этом основано предположение, что W-бозоны и фотоны, возможно, представляют собой разные стороны одного и того же явления.
Итак, квантовая теория описывает три основных типа взаимодействий: «сильное взаимодействие» кварков и глюонов, «слабое взаимодействие» W-бозонов и «электрическое взаимодействие» фотонов. Единственные имеющиеся (в соответствии с этой теорией) частицы – это кварки (с «ароматами» d и и, трех «цветов» каждый), глюоны (восемь комбинаций красного, зеленого и синего), W-бозоны (с зарядами ±1 и 0), нейтрино, электроны и фотоны – примерно двадцать различных частиц шести различных типов (плюс их античастицы). Это не так уж плохо – примерно двадцать различных частиц, но только это еще не все.
По мере того как ядра бомбардировали протонами все более высоких энергий, продолжали возникать все новые частицы. Одной из таких частиц был мюон, в точности совпадающий с электроном во всех отношениях, за исключением значительно большей массы –105,8 МэВ. Это примерно в 206 раз превосходит массу электрона, равную 0,511 МэВ. Как будто Бог захотел попробовать для массы другое число! Все свойства мюона полностью описываются электродинамической теорией: та же константа связи j, та же Е(А – В), вы просто подставляете другое значение n
[31].
Рис. 89. При бомбардировке ядра протонами все более и более высокой энергии возникают новые частицы. Одна из них – мюон, или тяжелый электрон. Мюонные взаимодействия описываются той же теорией, что и электронные, с той только разницей, что вы просто подставляете большее значение для п в формулу Е(А – В). Магнитный момент мюона должен не-сколько отличаться от магнитного момента электрона, поскольку, когда электрон излучает фотон, который затем распадается на электрон-позитронную или мюонантимюонную пару, массы частиц пары равны или превышают массу электрона. С другой стороны, когда мюон излучает фотон, распадающийся на позитрон-электронную или мюон-антимюонную пару, массы частиц пары не превышают массу мюона. Это не-большое различие подтверждается экспериментами.
Так как мюон примерно в 200 раз тяжелее электрона, «стрелка часов» для мюона вращается в 200 раз быстрее, чем для электрона. Это позволило нам проверить, продолжает ли квантовая электродинамика соответствовать эксперименту на расстояниях, в 200 раз меньших, чем те, на которых мы могли проверить ее до сих пор. Хотя эти расстояния все еще более чем в 1080 раз превосходят такие, на которых теорию подстерегают неприятности из-за бесконечностей (см. сноску на с. 146).
Рис. 90. У W-бозона имеется амплитуда излучения мюона вместо электрона. В этом случае место электронного нейтрино занимает мюонное нейтрино.
