АННОТАЦИЯ

Книга американских физиков Т.-П. Ченга и Л.-Ф. Ли представляет собой фундаментальное и современное введение в калибровочные теории элементарных частиц. Подробно излагаются как уже сформировавшиеся теории, так и новые направления и тенденции в теоретической физике элементарных частиц.

Предназначена для студентов и аспирантов, изучающих теорию элементарных частиц, а также для специалистов (теоретиков и экспериментаторов) в качестве справочного пособия по физике элементарных частиц.

**

ПРЕДИСЛОВИЕ РЕДАКТОРА ПЕРЕВОДА

Книга американских физиков Т.-П. Ченга и Л.-Ф. Ли, рус­ский перевод которой предлагается читателю, является введе­нием в современную теорию элементарных частиц и их взаи­модействий. Элементарными составляющими материи в настоя­щее время считаются кварки и лептоны. Мы говорим «в на­стоящее время», так как не исключено, что в будущем будет открыта сложная структура кварков и лептонов и они перейдут в разряд «составных» частиц. Открытие сложной структуры у объектов, считавшихся ранее элементарными, в физике про­исходило неоднократно. Последнее событие такого рода — установление кварковой структуры адронов. Однако, хотя воз­можность существования сложной структуры у кварков и лепто­нов рассматривается теоретиками вполне серьезно, экспери­ментальных оснований у этой гипотезы пока нет.

Принцип локальной калибровочной инвариантности является одной из основ теории взаимодействия частиц. Можно сказать, что осознание основополагающей роли принципа локальной ка­либровочной инвариантности предопределило бурное развитие теории элементарных частиц в последнее двадцатилетие. Созда­на и убедительно подтверждена в экспериментах единая теория слабых и электромагнитных взаимодействий; создана квантовая хромодинамика, играющая роль главного претендента на роль теории сильных взаимодействий. Убеждение в том, что создание калибровочной теории, объединяющей все взаимодействия, яв­ляется первоочередной задачей и ее решение может быть най­дено в обозримом будущем, разделяют многие исследователи.

Бурное развитие теории элементарных частиц неизбежно привело к необходимости создания учебников, содержащих на­ряду со стандартным набором сведений по квантовой теории поля (каноническое квантование, диаграммная техника, пере­нормировки и т. д.) также и методы теории неабелевых калиб-» ровочных полей, такие, как функциональное (континуальное)' интегрирование, размерная регуляризация. Настоящая книга яв­ляется руководством такого типа. При отборе материала авторы стремились изложить в первую очередь те разделы квантовой теории полей, которые уже прочно вошли в арсенал физики элементарных частиц. Книга иллюстрируется многочисленными примерами и конкретными расчетами.

Описание структуры книги, помогающее читателю ориенти­роваться при чтении, дано в предисловии авторов. С точки зре­ния советской системы подготовки специалистов книга в пер­вую очередь предназначена для студентов старших курсов и аспирантов, специализирующихся в области физики элементар­ных частиц.

В переводе добавлены ссылки на литературу (они отмечены звездочкой). Это потребовалось, в основном, чтобы отразить важный вклад, внесенный советскими физиками в развитие тео­рии элементарных частиц (например, открытие цветовых со­стояний, разработка аппарата ренормализационной группы и др.).

Перевод выполнен С. И. Азаковым (предисловие, гл. 5—16 и приложения) и Ю. А. Кубышиным (гл. 1—4). Р, М. Мир-Касимов

***

ПРЕДИСЛОВИЕ

За последние десять лет в физике элементарных частиц был достигнут значительный прогресс. В настоящее время мы впер­вые располагаем общей теорией взаимодействия частиц. Есть основания полагать, что она дает полное и правильное описа­ние всей негравитационной физики. Эта теория основана на принципе калибровочной симметрии. Сильные, слабые и элек­тромагнитные взаимодействия являются калибровочными взаи­модействиями. Вряд ли можно переоценить важность знания калибровочной теории для всех, кто интересуется современной физикой высоких энергий. Независимо от того, окажутся ли в конечном итоге правильными отдельные ее детали, именно в рамках этой теории в обозримом будущем будут интерпретиро­ваться новые теоретические и экспериментальные достижения.

Цель настоящей книги — ознакомить студента и исследова­теля с некоторыми основными идеями калибровочных теорий и с их приложениями к физике элементарных частиц. Всюду, где это возможно, мы избегаем громоздких математических до­казательств, основываясь на эвристических соображениях и ил­люстрируя характерными примерами. При выводе различных формул мы приводим все промежуточные выкладки, обычно отсутствующие в более специализированной литературе. Неко­торые хорошо известные результаты выводятся заново спосо­бами, более доступными для неспециалистов.

Книга не претендует на роль исчерпывающего обзора. Од­нако она содержит все сведения, необходимые каждому, кто серьезно решил специализироваться в области теории элемен­тарных частиц. Мы надеемся также, что отдельные части книги окажутся полезными физикам-экспериментаторам, интересую­щимся общими аспектами калибровочной теории.

Книга основана главным образом на записях лекций, кото­рые один из нас (Л. Л.) читал аспирантам на протяжении по­следних шести лет в Университете Карнеги — Меллона и в 1981 г. на Летней школе по физике частиц в Хэфэе (Китай) [269]. К ним добавлен материал, который обсуждался на се­минарах, руководимых вторым автором (Ч. Т.), в Университете штата Миннесота и в других местах. Все эти записи были дополнены, приведены в порядок, их рамки были значительн расширены. Мы предполагаем, что читатель имеет некоторое; представление о квантовой теории поля и в определенной сте­пени знаком с феноменологией физики высоких энергий. Прак­тически эта книга предназначена для аспирантов, специализи­рующихся в области теоретической физики. Мы также надеемся, что некоторые исследователи будут использовать ее в качестве удобного введения в те области, которые они хотят изучить.

Современная теория калибровочных полей может быть опи­сана как «радикально консервативная теория» в смысле Уилера (см. [424]), а именно несколько фундаментальных принципов экстраполируются настолько, насколько это возможно. При этом допускается наличие некоторых парадоксов, которые не удается разрешить. Здесь в качестве аксиом принимаются прин­ципы локальности, причинности и перенормируемости. Обнару­живается, что определенный класс релятивистских квантовых теорий поля, а именно калибровочные теории, обладают необы­чайным разнообразием свойств (явление Хиггса, асимптотиче­ская свобода, удержание кварков, аномалии и т. д.), необходи­мых для понимания природы взаимодействий элементарных частиц. При этом не возникает необходимости пересмотра основных принципов теории относительности и квантовой меха­ники. Таким образом, необходимой основой для изучения ка­либровочной теории является традиционный курс квантовой механики повышенного типа и квантовой теории поля, в осо­бенности квантовой электродинамики (КЭД)—прототипа ка­либровочной теории.

Книга состоит из двух частей. Часть I содержит материал, который можно охарактеризовать как «докалибровочную тео­рию». В гл. 1, 2 и 3 рассматриваются основы релятивистской квантовой теории поля (квантование и перенормировка), при­чем в качестве иллюстративного примера используется простая теория кф⁴. В гл. 4 и 5 мы излагаем элементы теории групп, модель кварков и киральную симметрию. Взаимосвязь от.ме-ченных выше ключевых свойств теории — перенормировок и симметрии — изучается в гл. 6. Утверждение, что кварки яв­ляются основными составляющими адронов, в дальнейшем под­крепляется открытием бьёркеновского скейлинга. Скейлинг и кварк-партонная модель описываются в гл. 7. Эти результаты подготавливают почву для всеобщего объединения теорий взаи­модействия частиц в рамках неабелевых калибровочных теорий, которое рассматривается в части II. После построения в гл. 8 и 9 классического и квантового вариантов калибровочной тео­рии все готово для перехода к основным главам книги — гл. 10—14, где изложены калибровочные теории — квантовая хромодинамика (КХД) и квантовая ароматодинамика (КАД) — и теория великого объединения (ТВО). В качестве дальнейшей иллюстрации богатства структуры калибровочной теории в гл. 15 и 16 мы приводим решения, полученные вне рамок теории возмущений и соответствующие магнитным монополям и ин-стантонам.

В конце книги даны два приложения. В приложении А можно найти используемые условные обозначения и нормировки. Приложение Б содержит практическое руководство по выводу правил Фейнмана, а также выражения для пропагаторов и вершин наиболее часто используемых теорий — кф⁴, теории Юкавы, КХД и стандартной модели электрослабых взаимодей­ствий (в /^-калибровке).

В оглавлении некоторые главы и разделы отмечены звездоч­ками и крестиками. Звездочками отмечены разделы, которые можно опустить при первом чтении; крестиками отмечены главы и разделы, содержащие введение в такие проблемы повышенной сложности, которые несколько выходят за рамки основного на­правления этой книги. Согласно нашему опыту, материал, из­ложенный в неотмеченных разделах, составляет содержание односеместрового курса калибровочных теорий в физике частиц. Если не опускать отмеченные разделы, то книга в целом соот­ветствует двухсеместровому курсу. Следует также заметить, что, хотя мы расположили разделы в соответствии с их логиче­ской взаимосвязью, читателю нет необходимости (на самом деле это даже нерационально) изучать материал в точности в том порядке, в котором он приведен. Например, изучение разд. 1.2 по квантованию с помощью функциональных интегра­лов можно отложить до гл. 9, где они впервые будут исполь­зоваться для квантования калибровочных теорий. Так как мы предполагаем, что у читателей нашей книги будут различные интересы и подготовка, то настоятельно призываем каждого из них тщательно ознакомиться с оглавлением, прежде чем приступить к изучению книги. Для облегчения чтения отдельных разделов часть материала повторяется. Читатель, интересую­щийся больше экспериментом, а не формальными аспектами релятивистской квантовой теории поля, может пропустить гл. 1, 2, 3 и 6 по квантованию и перенормировкам. После предвари­тельного изучения теории групп и модели кварков в гл. 4, 5 и 7 он может перейти непосредственно к гл. 8, 10, 11, 12, 14 и т. д., где можно найти общее введение в теорию калибровочных по­лей и ее приложения.

Библиография и список цитированной литературы содержат некоторые обычно цитируемые работы, которые нам знакомы. Эти списки не являются полными. Мы приносим извинения на­шим коллегам, на работы которых мы соответствующим обра­зом не сослались. Мы надеемся, что процитировали достаточное количество литературы, чтобы заинтересованный читатель мог, используя ее, найти дальнейшие обзоры и исследовательские статьи.

Нам приятно поблагодарить наших коллег и студентов за оказанную помощь; многие сделали полезные замечания, ка­сающиеся первоначального варианта книги. Мы очень призна­тельны профессору Махико Судзуки, который критически про­чел рукопись, а также профессорам Джеймсу Бьёркену, Сид­нею Дреллу, Джонатану Рознеру и Линкольну Волфенстейну, поддержавшим нас в нашем стремлении преобразовать записи лекций в книгу. Один из нас (Ч. Т.) благодарит Национальный научный фонд, Комитет по летним исследовательским стипен­диям и Фонд Уэлдон Спринг за поддержку; во время различных этапов работы он с удовольствием пользовался гостеприим­ством групп по теоретической физике Лоуренсовской лаборато­рии в Беркли, Станфордского центра линейных ускорителей и Миннесотского университета. Л. Л. благодарит Институт тео­ретической физики при Калифорнийском университете в Санта-Барбара за гостеприимство, а Министерство энергетики и Фонд Алфреда П. Слоуна за поддержку. Наконец, мы выражаем при­знательность нашим женам за помощь на протяжении всей ра­боты над книгой. Мы очень обязаны мисс Сыозэн Свайерс за трудоемкую работу по напечатанию рукописи, а также высоко ценим техническую помощь со стороны мисс Тины Рамей и мистера Джерри Макклюра.

Добавление к корректуре. Когда рукопись этой книги го­товилась к публикации, мы получили известие о том, что группы ХДА1 и Е1А2 в ЦЕРНе наблюдали в рр-соударениях со­бытия, которые можно интерпретировать как испускание про­межуточного векторного Ц7-бозона с массой приблизительно 80 ГэВ¹). Кроме того, объединенная группа Ирвайн — Мичи­ган — Брукхейвен объявила о предварительном результате, устанавливающем значение нижней границы времени жизни т (р -> е+л°) > 6,5 • 10³¹ лет.

Сент-Луис и Питсбург     V. Т.

Сентябрь 1982 г.    Л. Л.

') В настоящее время твердо установлено существование векторных бо­зонов № и I с массами 83,5 ± 2,9 ГэВ и 93,0 ± 3,3 ГэВ соответственно. — Прим. ред.