Слабое и сильное взаимодействие кратко. Что такое слабое взаимодействие в физике
Первую теорию слабого взаимодействия предложил Энрико Ферми в 1930. При разработке теории он использовал гипотезу Вольфганга Паули о существовании новой в то время элементарной частицы нейтрино.
Слабое взаимодействие описывает те процессы ядерной физики и физики элементарных частиц, которые происходят относительно медленно, напротив быстрым процессам, обусловленным сильным взаимодействием. Например, период полураспада нейтрона составляет примерно 16 мин. – Вечность по сравнению с ядерными процессами, для которых характерен время составляет 10 -23 с.
Для сравнения заряженные пионы? ± распадаются через слабое взаимодействие и имеют время жизни 2.6033 ± 0.0005 x 10 -8 c, тогда как нейтральный пион? 0 распадается на два гамма-кванта через электромагнитное взаимодействие и имеет время жизни 8.4 ± 0.6 x 10 -17 c.
Другая характеристика взаимодействия – длина свободного пробега частиц в веществе. Частицы, которые взаимодействуют через электромагнитное взаимодействие – заряженные частицы, гамма-кванты, можно задержать железной плитой толщиной в несколько десятнив сантиметров. Тогда как нейтрино, взаимодействующего лишь слабо, проходит, не столкнувшись ни разу, через слой металла толщиной миллиард километров.
В слабом взаимодействии участвуют кварки и лептоны, включая нейтрино. При этом изменяется аромат частиц, т.е. их тип. Например, в результате распада нейтрона один из его d-кварков превращается в u-кварк. Нейтрино уникальны тем, что взаимодействуют с другими частицами только за слабой, и еще слабую гравитационным взаимодействием.
По современным представлениям, сформулированными в Стандартной модели, слабое взаимодействие переносится калибровочные W-и Z-бозонами, которые были обнаружены на ускорителях в 1982. Их массы составляют 80 и 90 масс протона. Обмен виртуальными W-бозонами называют заряженным током, обмен Z-бозонами – нейтральным током.
Вершины диаграмм Фейнмана, описывающие возможные процессы с участием калибровочных W-и Z-бозонов можно разделить на три типа:
Лептон может випроминиты или поглотить W-бозон, и превратиться в нейтрино;
кварк может випроминиты или поглотить W-бозон, и изменить свой аромат, превратившись в суперпозицию других кварков;
лептон или кварк может поглотить или випроминиты Z-бозон
Способность частицы до слабого взаимодействия описывается квантовым числом, что называется слабый изоспин. Возможные значения изоспину для частиц, которые могут обмениваться W и Z бозонами ± 1 / 2. Именно эти частицы взаимодействуют через слабое взаимодействие. Не взаимодействуют за слабой взаемоидию частицы с нулевым слабым изоспином, для которых процессы обмена W и Z бозонами невозможны. Слабый изоспин сохраняется в реакциях между элементарными частицами. Это означает, что суммарный слабый изоспин всех частиц, участвующих в реакции, остается неизменным, хотя типы частиц могут при этом меняться.
Особенностью слабого взаимодействия является то, что она нарушает четность, поскольку способность к слабого взаимодействия через заряженные токи имеют только фермионы с левой хиральность и античастицы фермионов с правой хиральность. Несохранение четности в слабом взаимодействии открыли Янг Чжэньнин и Ли Чжэндао, за что получили Нобелевскую премию по физике за 1957 год. Причину несохранение четности видят в спонтанном нарушении симметрии. В рамках Стандартной модели за нарушение симметрии соответствует гипотетическая частица – бозон Хиггса. Это единственная частичка обычная модели, которая еще не была обнаружена экспериментально.
При слабом взаимодействии нарушается также CP симметрия. Это нарушение было выявлено экспериментально в 1964 году в экспериментах с каона. Авторы открытия Джеймс Кронин и Вал Фитч награждены Нобелевской премией за 1980. Несохранение CP-симметрии происходит гораздо реже, чем нарушение четности. Оно означает также, поскольку сохранение CPT-симметрия опирается на фундаментральни физические принципы – преобразования Лоренца и близкодействия, возможность нарушения T-симметрии, т.е. неинвариантнисть физических процессов по изменению направления времени.
В 1969 была построена единая теория электромагнитного и слабого ядерного взаимодействия, согласно которой при энергиях советов 100 ГэВ, что соответствует температуре 10 15 К разница между электромагнитными и слабыми процессами исчезает. Экспериментальная проверка единой теории электрослабого и сильного ядерного взаимодействия требует увеличения энергии ускорителей в сто миллиардов раз.
Теория электрослабого взаимодействия построена на основе группы симметрии SU (2).
Несмотря на малую величину и короткодию, слабое взаимодействие выполняет очень важную роль в природе. Если бы удалось «выключить» слабое взаимодействие, то Солнце погасло бы, поскольку стало бы невозможным процесс превращения протона в нейтрон, позитрон и нейтрино, в результате которого 4 протона превращаются в 4 He два позитроны и два нейтрино. Этот процесс служит основным источником энергии для Солнца и большинства звезд (см. Водородный цикл). Процессы слабого взаимодействия важны для эволюции звезд, поскольку они обусловливают потери энергии очень горячих звезд во взрывах сверхновых с образованием пульсаров и т.д. Если бы не было слабого взаимодействия в природе были бы стабильны и широко распространены в обычной веществе мюоны, пи-мезоны и другие частицы. Столь важная роль слабого взаимодействия повязна с тем, что она не подчиняется ряду запретов, характерных для сильного и елетромагнитнои взаимодействий. В частности, слабое взаимодействие превращает заряженные лептоны в нейтрино, а кварки одного аромата – в кварки другое.
Это взаимодействие является наиболее слабым из фундаментальных взаимодействий, экспериментально наблюдаемых в распадах элементарных частиц, где принципиально существенными являются квантовые эффекты. Напомним, что квантовые проявления гравитационного взаимодействия никогда не наблюдались. Слабое взаимодействие выделяется с помощью следующего правила: если в процессе взаимодействия участвует элементарная частица, называемая нейтрино (или антинейтрино), то данное взаимодействие является слабым.
Типичный пример слабого взаимодействия – это бета-распад нейтрона, где n – нейтрон, p – протон, e – – электрон, е + – электронное антинейтрино. Следует, однако, иметь в виду, что указанное выше правило совсем не означает, что любой акт слабого взаимодействия обязан сопровождаться нейтрино или антинейтрино. Известно, что имеет место большое число безнейтринных распадов. В качестве примера можно отметить процесс распада лямбда-гиперона D на протон p + и отрицательно заряженный пион p – . По современным представлениям нейтрон и протон не являются истинно элементарными частицами, а состоят из элементарных частиц, называемых кварками.
Интенсивность слабого взаимодействия характеризуется константой связи Ферми G F . Константа G F размерна. Чтобы образовать безразмерную величину, необходимо использовать какую-нибудь эталонную массу, например массу протона m p . Тогда безразмерная константа связи будет. Видно, что слабое взаимодействие гораздо интенсивнее гравитационного.
Слабое взаимодействие в отличие от гравитационного является короткодействующим. Это означает, что слабое взаимодействие между частицами начинает действовать, только если частицы находятся достаточно близко друг к другу. Если же расстояние между частицами превосходит некоторую величину, называемую характерным радиусом взаимодействия, слабое взаимодействие не проявляет себя. Экспериментально установлено, что характерный радиус слабого взаимодействия порядка 10–15 см, то есть слабое взаимодействие, сосредоточен на расстояниях меньше размеров атомного ядра.
Почему можно говорить о слабом взаимодействии как о независимом виде фундаментальных взаимодействий? Ответ прост. Установлено, что есть процессы превращений элементарных частиц, которые не сводятся к гравитационным, электромагнитным и сильным взаимодействиям. Хороший пример, показывающий, что существуют три качественно различных взаимодействия в ядерных явлениях, связан с радиоактивностью. Эксперименты указывают на наличие трех различных видов радиоактивности: α-, β- и γ-радиоактивных распадов. При этом α-распад обусловлен сильным взаимодействием, γ-распад – электромагнитным. Оставшийся β-распад не может быть объяснен электромагнитным и сильным взаимодействиями, и мы вынуждены принять, что есть еще одно фундаментальное взаимодействие, названное слабым. В общем случае необходимость введения слабого взаимодействия обусловлена тем, что в природе происходят процессы, в которых электромагнитные и сильные распады запрещены законами сохранения.
Хотя слабое взаимодействие существенно сосредоточено внутри ядра, оно имеет определенные макроскопические проявления. Как мы уже отмечали, оно связано с процессом β-радиоактивности. Кроме того, слабое взаимодействие играет важную роль в так называемых термоядерных реакциях, ответственных за механизм энерговыделения в звездах.
Удивительнейшим свойством слабого взаимодействия является существование процессов, в которых проявляется зеркальная асимметрия. На первый взгляд кажется очевидным, что разница между понятиями левое и правое условна. Действительно, процессы гравитационного, электромагнитного и сильного взаимодействия инвариантны относительно пространственной инверсии, осуществляющей зеркальное отражение. Говорят, что в таких процессах сохраняется пространственная четность P. Однако экспериментально установлено, что слабые процессы могут протекать с несохранением пространственной четности и, следовательно, как бы чувствуют разницу между левым и правым. В настоящее время имеются твердые экспериментальные доказательства, что несохранение четности в слабых взаимодействиях носит универсальный характер, оно проявляет себя не только в распадах элементарных частиц, но и в ядерных и даже атомных явлениях. Следует признать, что зеркальная асимметрия представляет собой свойство Природы на самом фундаментальном уровне.
Несохранение четности в слабых взаимодействиях выглядело настолько необычным свойством, что практически сразу после его открытия теоретики предприняли попытки показать, что на самом деле существует полная симметрия между левым и правым, только она имеет более глубокий смысл, чем это ранее считалось. Зеркальное отражение должно сопровождаться заменой частиц на античастицы (зарядовое сопряжение C), и тогда все фундаментальные взаимодействия должны быть инвариантными. Однако позднее было установлено, что эта инвариантность не является универсальной. Существуют слабые распады так называемых долгоживущих нейтральных каонов на пионы p + , p – , запрещенные, если бы указанная инвариантность реально имела место. Таким образом, отличительным свойством слабого взаимодействия является его CP-неинвариант-ность. Возможно, что это свойство ответственно за то обстоятельство, что вещество во Вселенной значительно превалирует над антивеществом, построенным из античастиц. Мир и антимир несимметричны.
Вопрос о том, какие частицы являются переносчиками слабого взаимодействия, долгое время был неясен. Понимания удалось достичь сравнительно недавно в рамках объединенной теории электрослабых взаимодействий – теории Вайнберга-Салама-Глэшоу. В настоящее время общепринято, что переносчиками слабого взаимодействия являются так называемые W + - и Z 0 -бозоны. Это заряженные W + и нейтральная Z 0 элементарные частицы со спином 1 и массами, равными по порядку величины 100 m p .
Время подобно реке, несущей проходящие мимо события, и течение её сильно; только что-либо покажется вам на глаза - а его уже унесло, и видно что-то другое, что тоже вскоре унесёт.
Марк Аврелий
Каждый из нас стремится создать целостную картину мира, включая картину Вселенной, от мельчайших субатомных частиц до величайших масштабов. Но законы физики порою настолько странные и контринтуитивные, что эта задача может стать непосильной для тех, кто не стал профессиональными теоритическими физиками.
Читатель спрашивает:
Хотя это и не астрономия, но может быть вы подскажете. Сильное взаимодействие переносится глюонами и связывает кварки и глюоны вместе. Электромагнитное переносится фотонами и связывает электрические заряженные частицы. Гравитация, предположительно, переносится гравитонами и связывает все частицы с массой. Слабое переносится W и Z частицами, и … связано с распадом? Почему слабое взаимодействие описывают именно так? Ответственно ли слабое взаимодействие за притяжение и/или отталкивание каких-либо частиц? И каких? А если нет, почему тогда это одно из фундаментальных взаимодействий, если оно не связано ни с какими силами? Спасибо.
Давайте-ка разберёмся в основах. Во вселенной существует четыре фундаментальных взаимодействия – гравитация, электромагнетизм, сильное ядерное взаимодействие и слабое ядерное взаимодействие.
И всё это – взаимодействия, силы. Для частиц, состояние которых можно измерить, приложение силы меняет её момент – в обычной жизни в таких случаях мы говорим об ускорении. И для трёх из указанных сил это так и есть.
В случае гравитации, общая сумма энергии (в основном массы, но сюда входит вся энергия) искривляет пространство-время, и движение всех остальных частиц меняется в присутствии всего, что имеет энергию. Так оно работает в классической (не квантовой) теории гравитации. Может, и есть более общая теория, квантовой гравитации, где происходит обмен гравитонами, приводящий к тому, что мы наблюдаем как гравитационное взаимодействие.
Перед тем, как продолжить, уясните:
- У частиц есть свойство, или что-то, присущее им, что позволяет им чувствовать (или не чувствовать) определённый тип силы
- Другие частицы, переносящие взаимодействия, взаимодействуют с первыми
- В результате взаимодействий частицы меняют момент, или ускоряются
В электромагнетизме основное свойство – электрический заряд. В отличие от гравитации, он может быть положительным или отрицательным. Фотон, частица, переносящая взаимодействие, связанное с зарядом, приводит к тому, что одинаковые заряды отталкиваются, а различающиеся – притягиваются.
Стоит отметить, что движущиеся заряды, или электрические токи, испытывают ещё одно проявление электромагнетизма – магнетизм. С гравитацией происходит то же самое, и называется гравитомагнетизм (или гравитоэлектромагнетизм). Углубляться не будем – суть в том, что есть не только заряд и переносчик силы, но и токи.
Есть ещё сильное ядерное взаимодействие , у которого есть три типа зарядов. Хотя у всех частиц есть энергия, и они все подвержены гравитации, и хотя кварки, половина лептонов и пара бозонов содержат электрические заряды – только у кварков и глюонов есть цветной заряд, и они могут испытывать сильное ядерное взаимодействие.
Масс везде много, поэтому гравитацию наблюдать легко. А поскольку сильное взаимодействие и электромагнетизм довольно сильны, их тоже легко наблюдать.
Но что насчёт последнего? Слабого взаимодействия?
Про него мы обычно говорим в контексте радиоактивного распада. Тяжёлые кварк или лептон распадаются на лёгкие и более стабильные. Да, слабое взаимодействие имеет к этому отношение. Но в данном примере оно как-то отличается от остальных сил.
Оказывается, что слабое взаимодействие – тоже сила, просто про неё нечасто рассказывают. Она ведь слабая! В 10 000 000 раз слабее, чем электромагнетизм, на дистанции длиной в диаметр протона.
Заряженная частица всегда имеет заряд, независимо от того, двигается она или нет. Но электрический ток, создаваемый ею, зависит от её движения относительно остальных частиц. Ток определяет магнетизм, который так же важен, как и электрическая часть электромагнетизма. У составных частиц вроде протона и нейтрона есть существенные магнитные моменты, как и у электрона.
Кварки и лептоны бывают шести ароматов. Кварки – верхний, нижний, странный, очарованный, прелестный, истинный (согласно их буквенным обозначениям в латинице u, d, s, c, t, b - up, down, strange, charm, top, bottom). Лептоны – электрон, электрон-нейтрино, мюон, мюон-нейтрино, тау, тау-нейтрино. У каждого из них есть электрический заряд, но также и аромат. Если мы объединим электромагнетизм и слабое взаимодействие, чтобы получить электрослабое взаимодействие , то у каждой из частиц будет некий слабый заряд, или электрослабый ток, и константа слабого взаимодействия. Всё это описано в Стандартной модели, но проверить это было довольно сложно, поскольку электромагнетизм настолько силён.
В новом эксперименте, результаты которого недавно были опубликованы , впервые был измерен вклад слабого взаимодействия. Эксперимент позволил определить слабое взаимодействие верхних и нижних кварков
И слабые заряды протона и нейтрона. Предсказания Стандартной модели для слабых зарядов были такие:
Q W (p) = 0.0710 ± 0.0007,
Q W (n) = -0.9890 ± 0.0007.
А по результатам рассеяния эксперимент выдал следующие значения:
Q W (p) = 0.063 ± 0.012,
Q W (n) = -0.975 ± 0.010.
Что очень хорошо совпадает с теорией с учётом погрешности. Экспериментаторы говорят, что обработав больше данных, они ещё уменьшат погрешность. И если там будут какие-то сюрпризы или расхождения со Стандартной моделью, это будет круто! Но на это ничто не указывает:
Поэтому у частиц есть слабый заряд, но мы про него не распространяемся, поскольку его нереально тяжело измерить. Но мы всё-таки сделали это, и судя по всему, снова подтвердили Стандартную модель.
Слабое взаимодействие, или слабое ядерное взаимодействие, -- одно из четырёх фундаментальных взаимодействий в природе. Оно ответственно, в частности, за бета-распад ядра. Это взаимодействие называется слабым, поскольку два других взаимодействия, значимые для ядерной физики (сильное и электромагнитное), характеризуются значительно большей интенсивностью. Однако оно значительно сильнее четвёртого из фундаментальных взаимодействий, гравитационного. Силы слабого взаимодействия не хватает, чтобы удерживать частицы друг около друга (т.е. образовывать связанные состояния). Оно может проявляться только при распадах и взаимных превращениях частиц.
Слабое взаимодействие является короткодействующим -- оно проявляется на расстояниях, значительно меньших размера атомного ядра (характерный радиус взаимодействия 2·10?18 м).
Переносчиками слабого взаимодействия являются векторные бозоны, и. При этом различают взаимодействие так называемых заряженных слабых токов и нейтральных слабых токов. Взаимодействие заряженных токов (при участии заряженных бозонов) приводит к изменению зарядов частиц и превращению одних лептонов и кварков в другие лептоны и кварки. Взаимодействие нейтральных токов (при участии нейтрального бозона) не меняет заряды частиц и переводит лептоны и кварки в те же самые частицы.
Впервые слабые взаимодействия наблюдались при в-распаде атомных ядер. И, как оказалось, эти распады связаны с превращениями протона в нейтрон в ядре и обратно:
р > n + е+ + нe, n > р + е- + e,
где n - нейтрон, p - протон, e- - электрон, н?e - электронное антинейтрино.
Элементарные частицы принято делить на три группы:
1) фотоны; эта группа состоит всего лишь из одной частицы -- фотона -- кванта электромагнитного излучения;
2) лептоны (от греч. «лептос» -- легкий), участвующие только в электромагнитном и слабом взаимодействиях. К лептонам относятся электронное и мюонное нейтрино, электрон, мюон и открытый в 1975 г. тяжелый лептон -- -лептон, или таон, с массой примерно 3487me, а также соответствующие им античастицы. Название лептонов связано с тем, что массы первых известных лептонов были меньше масс всех других частиц. К лептонам относится также таонное нейтрино, существование которого в последнее время также установлено;
3) адроны (от греч. «адрос» -- крупный, сильный). Адроны обладают сильным взаимодействием наряду с электромагнитным и слабым. Из рассмотренных выше частиц к ним относятся протон, нейтрон, пионы и каоны.
Свойства слабого взаимодействия
Слабое взаимодействие обладает отличительными свойствами:
1. В слабом взаимодействии принимают участие все фундаментальные фермионы (лептоны и кварки). Фермионы (от фамилии итальянского физика Э. Ферми) - элементарные частицы, атомные ядра, атомы, обладающие полуцелым значением собственного момента импульса. Примеры фермионов: кварки (они образуют протоны и нейтроны, которые также являются фермионами), лептоны (электроны, мюоны, тау-лептоны, нейтрино). Это единственное взаимодействие, в котором участвуют нейтрино (не считая гравитации, пренебрежимо малой в лабораторных условиях), чем объясняется колоссальная проникающая способность этих частиц. Слабое взаимодействие позволяет лептонам, кваркам и их античастицам обмениваться энергией, массой, электрическим зарядом и квантовыми числами -- то есть превращаться друг в друга.
2. Слабое взаимодействие получило своё название из-за того, что его характерная интенсивность значительно ниже, чем у электромагнетизма. В физике элементарных частиц интенсивность взаимодействия принято характеризовать скоростью протекания процессов, вызванных этим взаимодействием. Чем быстрее протекают процессы, тем выше интенсивность взаимодействия. При энергиях взаимодействующих частиц порядка 1 ГэВ характерная скорость протекания процессов, обусловленных слабым взаимодействием, составляет около 10?10 с, что примерно на 11 порядков больше, чем для электромагнитных процессов, то есть слабые процессы -- это чрезвычайно медленные процессы.
3. Другой характеристикой интенсивности взаимодействия является длина свободного пробега частиц в веществе. Так, для того, чтобы остановить за счёт сильного взаимодействия летящий адрон, требуется плита из железа толщиной в несколько сантиметров. В то же время нейтрино, которое участвует только в слабом взаимодействии, может пролететь через плиту толщиной в миллиарды километров.
4. Слабое взаимодействие обладает очень малым радиусом действия -- около 2·10-18 м (это приблизительно в 1000 раз меньше размера ядра). Именно по этой причине, несмотря на то, что слабое взаимодействие значительно интенсивнее гравитационного, радиус действия которого не ограничен, оно играет заметно меньшую роль. Например, даже для ядер, находящихся на расстоянии 10?10 м, слабое взаимодействие слабее не только электромагнитного, но и гравитационного.
5. Интенсивность слабых процессов сильно зависит от энергии взаимодействующих частиц. Чем выше энергия, тем интенсивность выше. Например, в силe слабого взаимодействия нейтрон, энергия покоя которого равна приблизительно 1 ГэВ, распадается за время около 103 с, а Л- гиперон, масса которого в сто раз больше, -- уже за 10?10 с. То же самое справедливо для энергичных нейтрино: сечение взаимодействия с нуклоном нейтрино с энергией 100 ГэВ на шесть порядков больше, чем у нейтрино с энергией около 1 МэВ. Однако при энергиях порядка нескольких сотен ГэВ (в системе центра масс сталкивающихся частиц) интенсивность слабого взаимодействия становится сравнимой с энергией электромагнитного взаимодействия, в результате чего они могут быть описаны единым образом как электрослабое взаимодействие. В физике элементарных частиц электрослабое взаимодействие является общим описанием двух из четырёх фундаментальных взаимодействий: слабого взаимодействия и электромагнитного взаимодействия. Хотя эти два взаимодействия очень различаются на обычных низких энергиях, в теории они представляются как два разных проявления одного взаимодействия. При энергиях выше энергии объединения (порядка 100 ГэВ) они соединяются в единое электрослабое взаимодействие. Электрослабое взаимодействие - взаимодействие, в котором участвуют кварки и лептоны, излучая и поглощая фотоны или тяжёлые промежуточные векторные бозоны W+, W-, Z0. Э. в. описывается калибровочной теорией со спонтанно нарушенной симметрией.
6. Слабое взаимодействие является единственным из фундаментальных взаимодействий, для которого не выполняется закон сохранения чётности, это означает, что законы, которым подчинятся слабые процессы, меняются при зеркальном отражении системы. Нарушение закона сохранения чётности приводит к тому, что слабому взаимодействию подвержены только левые частицы (спин которых направлен противоположно импульсу), но не правые (спин которых сонаправлен с импульсом), и наоборот: правые античастицы взаимодействуют слабым образом, но левые -- инертны.
Операция пространственной инверсии P заключается в преобразовании
x, y, z, -x, -y, -z, -, .
Операция P изменяет знак любого полярного вектора
Операция пространственной инверсии переводит систему в зеркально симметричную. Зеркальная симметрия наблюдается в процессах под действием сильного и электромагнитного взаимодействий. Зеркальная симметрия в этих процессах означает, что в зеркально симметричных состояниях переходы реализуются с одинаковой вероятностью.
1957 г. ? Янг Чжэньнин, Ли Цзундао получил нобелевскую премию по физике. За глубокие исследования так называемых законов четности, которые привели к важным открытиям в области элементарных частиц.
7. Помимо пространственной чётности, слабое взаимодействие не сохраняет также и комбинированной пространственно-зарядовой чётности, то есть единственное из известных взаимодействий нарушает принцип CP-инвариантности.
Зарядовая симметрия означает, что если существует какой-либо процесс с участием частиц, то при замене их на античастицы (зарядовом сопряжении), процесс также существует и происходит с той же вероятностью. Зарядовая симметрия отсутствует в процессах с участием нейтрино и антинейтрино. В природе существуют только левоспиральные нейтрино и правоспиральные антинейтрино. Если каждую из этих частиц (для определённости будем рассматривать электронное нейтрино нe и антинейтрино e) подвергнуть операции зарядового сопряжения, то они перейдут в несуществующие объекты с лептонными числами и спиральностями.
Таким образом, в слабых взаимодействиях нарушаются одновременно P- и C-инвариантность. Однако, если над нейтрино (антинейтрино) совершить две последовательные операции? P- и C_преобразования (порядок операций не важен), то вновь получим нейтрино, существующие в природе. Последовательность операций и (или в обратном порядке) носит название CP-преобразования. Результат CP_преобра-зования (комбинированной инверсии) нe и e следующий:
Таким образом, для нейтрино и антинейтрино операция, переводящая частицу в античастицу, это не операция зарядового сопряжения, а CP-преобразование.
Переносчиками слабого взаимодействия являются векторные бозоны W + , W − и Z 0 . При этом различают взаимодействие так называемых заряженных слабых токов и нейтральных слабых токов . Взаимодействие заряженных токов (при участии заряженных бозонов W ± ) приводит к изменению зарядов частиц и превращению одних лептонов и кварков в другие лептоны и кварки. Взаимодействие нейтральных токов (при участии нейтрального бозона Z 0 ) не меняет заряды частиц и переводит лептоны и кварки в те же самые частицы.
Энциклопедичный YouTube
-
1 / 5
Воспользовавшись гипотезой Паули, Энрико Ферми разработал в 1933 году первую теорию бета-распада. Интересно, что его работу отказались публиковать в журнале Nature , сославшись на излишнюю абстрактность статьи. Теория Ферми основана на использовании метода вторичного квантования , аналогичного тому, который был уже применён к тому времени для процессов испускания и поглощения фотонов . Одной из идей, озвученных в работе, было также утверждение о том, что вылетающие из атома частицы не содержались в нём изначально, а были рождены в процессе взаимодействия.
Долгое время считалось, что законы природы симметричны относительно зеркального отражения , то есть результат любого эксперимента должен быть таким же, как результат эксперимента, проведённого на зеркально-симметричной установке. Эта симметрия относительно пространственной инверсии (которая обычно обозначается как P ) связана с законом сохранения чётности . Однако в 1956 году при теоретическом рассмотрении процесса распада K-мезонов Янг Чжэньнин и Ли Цзундао предположили, что слабое взаимодействие может не подчиняться этому закону. Уже в 1957 году группа Ву Цзяньсун подтвердили это предсказание в эксперименте по β-распаду, что принесло Янгу и Ли Нобелевскую премию по физике за 1957 год. Позднее тот же факт был подтверждён в распаде мюона и других частиц .
Чтобы объяснить новые экспериментальные факты, в 1957 году Мюреем Гелл-Манном , Ричардом Фейнманом , Робертом Маршаком и Джорджем Сударшаном была разработана универсальная теория четырёхфермионного слабого взаимодействия, получившая название V − A -теории .
В стремлении сохранить максимально возможную симметрию взаимодействий Л. Д. Ландау в 1957 году предположил, что хотя P -симметрия нарушается в слабых взаимодействиях, в них должна сохраняться комбинированная симметрия CP - комбинация зеркального отражения и замены частиц на античастицы. Однако в 1964 году Джеймс Кронин и Вал Фитч в распадах нейтральных каонов нашли слабое нарушение CP -чётности . За это нарушение также оказалось ответственным именно слабое взаимодействие, более того теория в таком случае предсказывала, что кроме двух поколений кварков и лептонов , известных к тому времени, должно существовать как минимум ещё одно поколение. Это предсказание получило подтверждение сначала в 1975 году, когда был открыт тау-лептон , а затем в 1977 году с открытием b-кварка . Кронин и Фитч получили Нобелевскую премию по физике 1980 года.
Свойства
В слабом взаимодействии принимают участие все фундаментальные фермионы (лептоны и кварки). Это единственное взаимодействие, в котором участвуют нейтрино (не считая гравитации , пренебрежимо малой в лабораторных условиях), чем объясняется колоссальная проникающая способность этих частиц. Слабое взаимодействие позволяет лептонам, кваркам и их античастицам обмениваться энергией , массой , электрическим зарядом и квантовыми числами - то есть превращаться друг в друга.
Слабое взаимодействие получило своё название из-за того, что его характерная интенсивность значительно ниже, чем у электромагнетизма . В физике элементарных частиц интенсивность взаимодействия принято характеризовать скоростью протекания процессов, вызванных этим взаимодействием. Чем быстрее протекают процессы, тем выше интенсивность взаимодействия. При энергиях взаимодействующих частиц порядка 1 ГэВ характерная скорость протекания процессов, обусловленных слабым взаимодействием, составляет около 10 −10 с, что примерно на 11 порядков больше, чем для электромагнитных процессов, то есть слабые процессы - это чрезвычайно медленные процессы .
Другой характеристикой интенсивности взаимодействия является длина свободного пробега частиц в веществе. Так, для того, чтобы остановить за счёт сильного взаимодействия летящий адрон , требуется плита из железа толщиной в несколько сантиметров. А нейтрино, которое участвует только в слабом взаимодействии, может пролететь через плиту толщиной в миллиарды километров.
Помимо прочего, слабое взаимодействие обладает очень малым радиусом действия - около 2·10 -18 м (это приблизительно в 1000 раз меньше размера ядра). Именно по этой причине, несмотря на то, что слабое взаимодействие значительно интенсивнее гравитационного, радиус действия которого неограничен, оно играет заметно меньшую роль. Например, даже для ядер, находящихся на расстоянии 10 −10 м , слабое взаимодействие слабее не только электромагнитного, но и гравитационного .
При этом интенсивность слабых процессов сильно зависит от энергии взаимодействующих частиц. Чем выше энергия, тем интенсивность выше. Например, в силу слабого взаимодействия нейтрон , энерговыделение при бета-распаде которого равно приблизительно 0,8 МэВ , распадается за время около 10 3 с , а Λ-гиперон с энерговыделением примерно в сто раз больше, - уже за 10 −10 с . То же самое справедливо для энергичных нейтрино: сечение взаимодействия с нуклоном нейтрино с энергией 100 ГэВ на шесть порядков больше, чем у нейтрино с энергией около 1 МэВ . Однако при энергиях порядка нескольких сотен ГэВ (в системе центра масс сталкивающихся частиц) интенсивность слабого взаимодействия становится сравнимой с энергией электромагнитного взаимодействия, в результате чего они могут быть описаны единым образом как электрослабое взаимодействие .
Слабое взаимодействие является единственным из фундаментальных взаимодействий, для которого не выполняется закон сохранения чётности , это означает, что законы, которым подчиняются слабые процессы, меняются при зеркальном отражении системы. Нарушение закона сохранения чётности приводит к тому, что слабому взаимодействию подвержены только левые частицы (спин которых направлен противоположно импульсу), но не правые (спин которых сонаправлен с импульсом), и наоборот: правые античастицы взаимодействуют слабым образом, но левые - инертны .
Помимо пространственной чётности, слабое взаимодействие не сохраняет также и комбинированной пространственно-зарядовой чётности, то есть единственное из известных взаимодействий нарушает принцип CP -инвариантности .
Теоретическое описание
Теория Ферми
Первая теория слабого взаимодействия была разработана Энрико Ферми в 1930-х годах. Его теория основана на формальной аналогии между процессом β-распада и электромагнитных процессов излучения фотонов . В основе теории Ферми лежит взаимодействие так называемых адронного и лептонного токов. При этом в отличие от электромагнетизма предполагается, что их взаимодействие носит контактный характер и не подразумевает наличие переносчика, аналогичного фотону. В современных обозначениях взаимодействие между четырьмя основными фермионами (протоном, нейтроном, электроном и нейтрино) описывается оператором вида
G F 2 p ¯ ^ n ^ ⋅ e ¯ ^ ν ^ {\displaystyle {\frac {G_{F}}{\sqrt {2}}}{\hat {\overline {p}}}{\hat {n}}\cdot {\hat {\overline {e}}}{\hat {\nu }}} ,где G F {\displaystyle G_{F}} - так называемая константа Ферми , численно равная приблизительно 10 −48 Дж/м³ или 10 − 5 / m p 2 {\displaystyle 10^{-5}/m_{p}^{2}} ( m p {\displaystyle m_{p}} - масса протона) в системе единиц, где ℏ = c = 1 {\displaystyle \hbar =c=1} ; p ¯ ^ {\displaystyle {\hat {\overline {p}}}} - оператор рождения протона (или уничтожения антипротона), n ^ {\displaystyle {\hat {n}}} - оператор уничтожения нейтрона (рождения антинейтрона), e ¯ ^ {\displaystyle {\hat {\overline {e}}}} - оператор рождения электрона (уничтожения позитрона), ν ^ {\displaystyle {\hat {\nu }}} - оператор уничтожения нейтрино (рождения антинейтрино).
Произведение p ¯ ^ n ^ {\displaystyle {\hat {\overline {p}}}{\hat {n}}} , отвечающее за перевод нейтрона в протон, получило название нуклонного тока, а e ¯ ^ ν ^ , {\displaystyle {\hat {\overline {e}}}{\hat {\nu }},} переводящее электрон в нейтрино, - лептонного. Постулируется, что эти токи аналогично электромагнитным токам являются 4-векторами p ¯ ^ γ μ n ^ {\displaystyle {\hat {\overline {p}}}\gamma _{\mu }{\hat {n}}} и e ¯ ^ γ μ ν ^ {\displaystyle {\hat {\overline {e}}}\gamma _{\mu }{\hat {\nu }}} ( γ μ , μ = 0 … 3 {\displaystyle \gamma _{\mu },~\mu =0\dots 3} - матрицы Дирака). Поэтому и их взаимодействие называется векторным .
Существенным отличием введённых Ферми слабых токов от электромагнитных является то, что они меняют заряд частиц: положительнозаряженный протон становится нейтральным нейтроном, а отрицательнозаряженный электрон - нейтральным же нейтрино. В связи с этим эти токи получили название заряженных токов .
Универсальная V-A теория
Универсальная теория слабого взаимодействия, получившая также название V − A -теории, была предложена в 1957 году М. Гелл-Манном , Р. Фейнманом , Р. Маршаком и Дж. Сударшаном . Эта теория принимала во внимание доказанный незадолго до этого факт нарушения чётности (P -симметрии) при слабом взаимодействии. Для этого слабые токи были представлены как сумма векторного тока V и аксиального A (отсюда и название теории) .
Векторный и аксиальный токи ведут себя совершенно одинаково при преобразованиях Лоренца . Однако при пространственной инверсии их поведение различно: векторный ток при таком преобразовании остаётся неизменным, а аксиальный ток меняет знак, что и приводит к нарушению чётности. Кроме того, токи V и A отличаются так называемой зарядовой чётностью (нарушают C -симметрию) .
Аналогично, адронный ток является суммой кварковых токов всех поколений (u - верхний, d - нижний, c - очарованный, s - странный, t - истинный, b - прелестный кварки):
u ¯ ^ d ′ ^ + c ¯ ^ s ′ ^ + t ¯ ^ b ′ ^ . {\displaystyle {\hat {\overline {u}}}{\hat {d^{\prime }}}+{\hat {\overline {c}}}{\hat {s^{\prime }}}+{\hat {\overline {t}}}{\hat {b^{\prime }}}.}В отличие от лептонного тока, однако, здесь операторы d ′ ^ , {\displaystyle {\hat {d^{\prime }}},} s ′ ^ {\displaystyle {\hat {s^{\prime }}}} и b ′ ^ {\displaystyle {\hat {b^{\prime }}}} представляют собой линейную комбинацию операторов d ^ , {\displaystyle {\hat {d}},} s ^ {\displaystyle {\hat {s}}} и b ^ , {\displaystyle {\hat {b}},} то есть адронный ток содержит в общей сложности не три, а девять слагаемых. Эти слагаемые можно обединить в одну матрицу 3×3, называемую матрицей Кабиббо - Кобаяши - Маскавы . Эта матрица может быть параметризована тремя углами и фазовым множителем. Последний характеризует степень нарушения CP -инвариантности в слабом взаимодействии .
Все слагаемые в заряженном токе представляют собой сумму векторного и аксиального операторов с множителями, равными единице .
L = G F 2 j w ^ j w † ^ , {\displaystyle {\mathcal {L}}={\frac {G_{F}}{\sqrt {2}}}{\hat {j_{w}}}{\hat {j_{w}^{\dagger }}},}где j w ^ {\displaystyle {\hat {j_{w}}}} - оператор заряженного тока, а j w † ^ {\displaystyle {\hat {j_{w}^{\dagger }}}} - сопряжённый ему (получается заменой e ¯ ^ ν e ^ → ν e ¯ ^ e ^ , {\displaystyle {\hat {\overline {e}}}{\hat {\nu _{e}}}\rightarrow {\hat {\overline {\nu _{e}}}}{\hat {e}},} u ¯ ^ d ^ → d ¯ ^ u ^ {\displaystyle {\hat {\overline {u}}}{\hat {d}}\rightarrow {\hat {\overline {d}}}{\hat {u}}} и т. д.)
Теория Вайнберга - Салама
В современной форме слабое взаимодействие описывается как часть единого электрослабого взаимодействия в рамках теории Вайнберга - Салама. Это квантовая теория поля с калибровочной группой SU (2)×U (1) и спонтанно нарушенной симметрией вакуумного состояния, вызванной действием поля бозона Хиггса . Доказательство перенормируемости такой модели Мартинусом Вельтманом и Герардом "т Хоофтом было отмечено Нобелевской премией по физике за 1999 год .
В этой форме теория слабого взаимодействия входит в современную Стандартную модель , причём оно - единственное взаимодействие, нарушающее симметрии P и CP .
Согласно теории электрослабого взаимодействия слабое взаимодействие не является контактным, а имеет своих переносчиков - векторные бозоны W + , W − и Z 0 с ненулевой массой и спином , равным 1. Масса этих бозонов составляет около 90 ГэВ /c², что и обуславливает малый радиус действия слабых сил.
При этом заряженные бозоны W ± отвечают за взаимодействие заряженных токов, а существование нейтрального бозона Z 0 означает существование также и нейтральных токов . Такие токи, действительно, были обнаружены экспериментально. Примером взаимодействия с их участием служит, в частности, упругое рассеяние нейтрино на протоне. При таких взаимодействиях сохраняется как вид частиц, так и их заряды .
Для описания взаимодействия нейтральных токов лагранжиан должен быть дополнен членом вида
L = G F ρ 2 2 f 0 ^ f 0 ^ , {\displaystyle {\mathcal {L}}={\frac {G_{F}\rho }{2{\sqrt {2}}}}{\hat {f_{0}}}{\hat {f_{0}}},}где ρ - безразмерный параметр, в стандартной теории равный единице (экспериментально он отличается от единицы не более чем на 1 %), f 0 ^ = ν e ¯ ^ ν e ^ + ⋯ + e ¯ ^ e ^ + ⋯ + u ¯ ^ u ^ + … {\displaystyle {\hat {f_{0}}}={\hat {\overline {\nu _{e}}}}{\hat {\nu _{e}}}+\dots +{\hat {\overline {e}}}{\hat {e}}+\dots +{\hat {\overline {u}}}{\hat {u}}+\dots } - самосопряжённый оператор нейтрального тока .
В отличие от заряженных токов, оператор нейтрального тока диагонален, то есть переводит частицы в сами себя, а не в другие лептоны или кварки. Каждое из слагаемых оператора нейтрального тока представляет собой сумму векторного оператора с множителем и аксиального оператора с множителем I 3 − 2 Q sin 2 θ w {\displaystyle I_{3}-2Q\sin ^{2}\theta _{w}} , где I 3 {\displaystyle I_{3}} - третья проекция так называемого слабого
