В 1896 г. французский ученый Анри Беккерель обнаружил радиоактивность урана. Это был первый экспериментальный сигнал о неизвестных до того силах природы - слабом взаимодействии. Теперь мы знаем, что слабое взаимодействие кроется за многими привычными явлениями, - например, оно принимает участие в некоторых термоядерных реакциях, поддерживающих излучение Солнца и других звезд.
Название «слабое» досталось этому взаимодействию по недоразумению, - так, для протона оно в 1033 раз сильнее гравитационного взаимодействия (см. Тяготение, Единство сия природы). Это, скорее, разрушительное взаимодействие, единственная сила природы, которая не скрепляет вещество, а только разрушает его. Можно было назвать его и «беспринципным», так как в разрушении оно не считается с принципами пространственной четности и временной обратимости, которые соблюдают остальные силы.
Основные свойства слабого взаимодействия стали известны еще в 1930-х гг., главным образом благодаря работам итальянского физика Э. Ферми. Оказалось, что, в отличие от гравитационных и электрических, слабые силы имеют очень малый радиус действия. В те годы казалось, что радиуса действия вообще нет - взаимодействие происходит в одной точке пространства, и к тому же мгновенно. Это взаимодействие виртуально (на короткое время) превращает каждый протон ядра в нейтрон, позитрон - в позитрон и нейтрино, а каждый нейтрон - в протон, электрон и антинейтрино. В стабильных ядрах (см. Ядро атомное) эти превращения так и остаются виртуальными, подобно виртуальным рождениям электрон-позитронных пар или протон-антипротонных пар в вакууме.
Если разница масс ядер, отличающихся на единицу по заряду, достаточно велика, эти виртуальные превращения делаются реальными, и ядро изменяет свой заряд на 1, выбрасывая электрон и антинейтрино (электронный -распад) или позитрон и нейтрино (позитронный -распад). Нейтроны имеют массу, превышающую приблизительно на 1 МэВ сумму масс протона и электрогна. Поэтому свободный нейтрон распадается на протон, электрон и антинейтрино с выделением энергии приблизительно 1 МэВ. Время жизни свободного нейтрона примерно 10 мин, хотя в связанном состоянии, например, в дейтоне, который состоит из нейтрона и протона, эти частицы живут неограниченно долго.
Аналогичное событие происходит с мюоном (см. Пептоны) - он распадается на электрон, нейтрино и антинейтрино. Перед тем как распасться, мюон живет около с - гораздо меньше, чем нейтрон. Теория Ферми объясняла это разницей масс участвующих частиц. Чем больше энергии выделяется при распаде, тем быстрее он идет. Выделение энергии при -распаде около 100 МэВ, примерно в 100 раз больше, чем при распаде нейтрона. Время жизни частицы обратно пропорционально пятой степени этой энергии.
Как выяснилось в последние десятилетия, слабое взаимодействие нелокально, т. е. оно происходит не мгновенно и не в одной точке. По современной теории, слабое взаимодействие передается не мгновенно, а виртуальная пара электрон - антинейтрино рождается через с после того, как мюон переходит в нейтрино, и происходит это на расстоянии см. Ни одна линейка, ни один микроскоп не могут, конечно, измерить такое малое расстояние, так же как ни один секундомер не может измерить такой малый интервал времени. Как это почти всегда бывает, в современной физике мы должны довольствоваться косвенными данными. Физики строят различные гипотезы о механизме процесса и проверяют всевозможные следствия этих гипотез. Те гипотезы, которые противоречат хотя бы одному достоверному опыту, отметаются, а для проверки оставшихся ставятся новые опыты. Этот процесс в случае слабого взаимодействия продолжался около 40 лет, пока физики не пришли к убеждению, что слабое взаимодействие переносится сверхмассивными частицами - в 100 раз тяжелее протона. Эти частицы имеют спин 1 и называются векторными бозонами (открыты в 1983 г. в ЦЕРНе, Швейцария - Франция).
Есть два заряженных векторных бозона и один нейтральный (значок вверху, как обычно, указывает заряд в единицах протонного). В распадах нейтрона и мюона «работает» заряженный векторный бозон . Ход распада мюона изображен на рис. (вверху, справа). Такие рисунки называют диаграммами Фейнмана, они не только иллюстрируют процесс, но и помогают его рассчитать. Это своего рода стенографическая запись формулы для вероятности реакции; здесь она используется только для иллюстрации.
Мюон переходит в нейтрино, испуская -бозон, который распадается на электрон и антинейтрино. Выделяемой энергии недостаточно для реального рождения -бозона, поэтому он рождается виртуально, т. е. на очень короткое время. В данном случае это с. За это время поле, соответствующее -бозону, не успевает сформировать волну, или иначе, реальную частицу (см. Поля и частицы). Образуется сгусток поля размером см, и через с из него рождаются электрон и антинейтрино.
Для распада нейтрона можно было бы нарисовать такую же диаграмму, но тут она уже ввела бы нас в заблуждение. Дело в том, что размер нейтрона см, что в 1000 раз больше радиуса действия слабых сил. Поэтому эти силы действуют внутри нейтрона, где находятся кварки. Один из трех кварков нейтрона испускает -бозон, переходя при этом в другой кварк. Заряды кварков в нейтроне: -1/3, - 1/ 3 и так что один из двух кварков с отрицательным зарядом -1/3 переходит в кварк с положительным зарядом . В результате получатся кварки с зарядами - 1/3, 2/3, 2/3, составляющие вместе протон. Продукты реакции - электрон и антинейтрино - беспрепятственно вылетают из протона. Но ведь кварк, испустивший -бозон. получил отдачу и начал двигаться в противоположном направлении. Почему же он не вылетает?
Его удерживает сильное взаимодействие. Это взаимодействие увлечет за кварком его двух неразлучных спутников, в результате чего получится движущийся протон. По аналогичной схеме происходят слабые распады (связанные со слабым взаимодействием) остальных адронов. Все они сводятся к испусканию векторного бозона одним из кварков, переходу этого векторного бозона в лептоны (, и -частицы) и дальнейшему разлету продуктов реакции.
Иногда, впрочем, происходят и адронные распады: векторный бозон может распасться на пару кварк - антикварк, которая перейдет в мезоны.
Итак, большое количество различных реакций сводится к взаимодействию кварков и лептонов с векторными бозонами. Это взаимодействие универсально, т. е. одинаково для кварков и лептонов. Универсальность слабого взаимодействия в отличие от универсальности гравитационного или электромагнитного взаимодействия не получила пока исчерпывающего объяснения. В современных теориях слабое взаимодействие объединяется с электромагнитным взаимодействием (см. Единство сил природы).
О нарушении симметрии слабым взаимодействием см. Четность, Нейтрино. В статье Единство сил природы рассказано о месте слабых сил в картине микромира
В 1896 г. французский ученый Анри Беккерель обнаружил радиоактивность урана. Это был первый экспериментальный сигнал о неизвестных до того силах природы - слабом взаимодействии. Теперь мы знаем, что слабое взаимодействие кроется за многими привычными явлениями, - например, оно принимает участие в некоторых термоядерных реакциях, поддерживающих излучение Солнца и других звезд.
Название «слабое» досталось этому взаимодействию по недоразумению, - так, для протона оно в 1033 раз сильнее гравитационного взаимодействия (см. Тяготение, Единство сил природы). Это, скорее, разрушительное взаимодействие, единственная сила природы, которая не скрепляет вещество, а только разрушает его. Можно было назвать его и «беспринципным», так как в разрушении оно не считается с принципами пространственной четности и временной обратимости, которые соблюдают остальные силы.
Основные свойства слабого взаимодействия стали известны еще в 1930-х гг., главным образом благодаря работам итальянского физика Э. Ферми. Оказалось, что, в отличие от гравитационных и электрических, слабые силы имеют очень малый радиус действия. В те годы казалось, что радиуса действия вообще нет - взаимодействие происходит в одной точке пространства, и к тому же мгновенно. Это взаимодействие виртуально (на короткое время) превращает каждый протон ядра в нейтрон, позитрон - в позитрон и нейтрино, а каждый нейтрон - в протон, электрон и антинейтрино. В стабильных ядрах (см. Ядро атомное) эти превращения так и остаются виртуальными, подобно виртуальным рождениям электрон-позитронных пар или протон-антипротонных пар в вакууме. Если разница масс ядер, отличающихся на единицу по заряду, достаточно велика, эти виртуальные превращения делаются реальными, и ядро изменяет свой заряд на 1, выбрасывая электрон и антинейтрино (электронный β-распад) или позитрон и нейтрино (позитронный β-распад). Нейтроны имеют массу, превышающую приблизительно на 1 МэВ сумму масс протона и электрсгна. Поэтому свободный нейтрон распадается на протон, электрон и антинейтрино с выделением энергии приблизительно 1 МэВ. Время жизни свободного нейтрона примерно 10 мин, хотя в связанном состоянии, например, в дейтоне, который состоит из нейтрона и протона, эти частицы живут неограниченно долго.
Аналогичное событие происходит с мюоном (см. Лептоны) - он распадается на электрон, нейтрино и антинейтрино. Перед тем как распасться, мюон живет около 10 -6 с - гораздо меньше, чем нейтрон. Теория Ферми объясняла это разницей масс участвующих частиц. Чем больше энергии выделяется при распаде, тем быстрее он идет. Выделение энергии при μ-распаде около 100 МэВ, примерно в 100 раз больше, чем при распаде нейтрона. Время жизни частицы обратно пропорционально пятой степени этой энергии.
Как выяснилось в последние десятилетия, слабое взаимодействие нелокально, т. е. оно происходит не мгновенно и не в одной точке. По современной теории, слабое взаимодействие передается не мгновенно, а виртуальная пара электрон - антинейтрино рождается через 10 -26 с после того, как мюон переходит в нейтрино, и происходит это на расстоянии 10 -16 см. Ни одна линейка, ни один микроскоп не могут, конечно, измерить такое малое расстояние, так же как ни один секундомер не может измерить такой малый интервал времени. Как это почти всегда бывает, в современной физике мы должны довольствоваться косвенными данными. Физики строят различные гипотезы о механизме процесса и проверяют всевозможные следствия этих гипотез. Те гипотезы, которые противоречат хотя бы одному достоверному опыту, отметаются, а для проверки оставшихся ставятся новые опыты. Этот процесс в случае слабого взаимодействия продолжался около 40 лет, пока физики не пришли к убеждению, что слабое взаимодействие переносится сверхмассивными частицами - в 100 раз тяжелее протона. Эти частицы имеют спин 1 и называются векторными бозонами (открыты в 1983 г. в ЦЕРНе, Швейцария - Франция).
Есть два заряженных векторных бозона W + , W - и один нейтральный Z 0 (значок вверху, как обычно, указывает заряд в единицах протонного). В распадах нейтрона и мюона «работает» заряженный векторный бозон W - . Ход распада мюона изображен на рис. (вверху, справа). Такие рисунки называют диаграммами Фейнмана, они не только иллюстрируют процесс, но и помогают его рассчитать. Это своего рода стенографическая запись формулы для вероятности реакции; здесь она используется только для иллюстрации.
Мюон переходит в нейтрино, испуская W-бозон, который распадается на электрон и антинейтрино. Выделяемой энергии недостаточно для реального рождения W-бозона, поэтому он рождается виртуально, т. е. на очень короткое время. В данном случае это 10 -26 с. За это время поле, соответствующее W-бозону, не успевает сформировать волну, или иначе, реальную частицу (см. Поля и частицы). Образуется сгусток поля размером 10 -16 см, и через 10 -26 с из него рождаются электрон и антинейтрино.
Для распада нейтрона можно было бы нарисовать такую же диаграмму, но тут она уже ввела бы нас в заблуждение. Дело в том, что размер нейтрона 10 -13 см, что в 1000 раз больше радиуса действия слабых сил. Поэтому эти силы действуют внутри нейтрона, где находятся кварки. Один из трех кварков нейтрона испускает W-бозон, переходя при этом в другой кварк. Заряды кварков в нейтроне: -1/3, -1/3 и +2/3, так что один из двух кварков с отрицательным зарядом -1/3 переходит в кварк с положительным зарядом +2/3. В результате получатся кварки с зарядами -1/3, 2/3, 2/3, составляющие вместе протон. Продукты реакции - электрон и антинейтрино - беспрепятственно вылетают из протона. Но ведь кварк, испустивший W-бозон, получил отдачу и начал двигаться в противоположном направлении. Почему же он не вылетает?
Его удерживает сильное взаимодействие. Это взаимодействие увлечет за кварком его двух неразлучных спутников, в результате чего получится движущийся протон. По аналогичной схеме происходят слабые распады (связанные со слабым взаимодействием) остальных адронов. Все они сводятся к испусканию векторного бозона одним из кварков, переходу этого векторного бозона в лептоны (μ-, e-, τ- и ν-частицы) и дальнейшему разлету продуктов реакции.
Иногда, впрочем, происходят и адронные распады: векторный бозон может распасться на пару кварк - антикварк, которая перейдет в мезоны.
Итак, большое количество различных реакций сводится к взаимодействию кварков и лептонов с векторными бозонами. Это взаимодействие универсально, т. е. одинаково для кварков и лептонов. Универсальность слабого взаимодействия в отличие от универсальности гравитационного или электромагнитного взаимодействия не получила пока исчерпывающего объяснения. В современных теориях слабое взаимодействие объединяется с электромагнитным взаимодействием (см. Единство сил природы).
О нарушении симметрии слабым взаимодействием см. Четность, Нейтрино. В статье Единство сил природы рассказано о месте слабых сил в картине микромира.
Слабое взаимодействие
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.
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: a-, b и g-радиоактивных распадов. При этом a-распад обусловлен сильным взаимодействием, g-распад - электромагнитным. Оставшийся b-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 b-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.
В электромагнитном взаимодействии участвуют все заряженные тела, все заряженные элементарные частицы. В этом смысле оно достаточно универсально. Классической теорией электромагнитного взаимодействия является максвелловская электродинамика. В качестве константы связи принимается заряд электрона e.
Если рассмотреть два покоящихся точечных заряда q1 и q2, то их электромагнитное взаимодействие сведется к известной электростатической силе. Это означает, что взаимодействие является дальнодействующим и медленно спадает с ростом расстояния между зарядами. Заряженная частица испускает фотон, в силу чего состояние ее движения изменяется. Другая частица поглощает этот фотон и также изменяет состояние своего движения. В результате частицы как бы чувствуют наличие друг друга. Хорошо известно, что электрический заряд является размерной величиной. Удобно ввести безразмерную константу связи электромагнитного взаимодействия. Для этого надо использовать фундаментальные постоянные и c. В результате приходим к следующей безразмерной константе связи, называемой в атомной физике постоянной тонкой структуры
Легко заметить, что данная константа значительно превышает константы гравитационного и слабого взаимодействий.
С современной точки зрения электромагнитное и слабое взаимодействия представляют собой различные стороны единого электрослабого взаимодействия. Создана объединенная теория электрослабого взаимодействия - теория Вайнберга-Салама-Глэшоу, объясняющая с единых позиций все аспекты электромагнитных и слабых взаимодействий. Можно ли понять на качественном уровне, как происходит разделение объединенного взаимодействия на отдельные, как бы независимые взаимодействия?
Пока характерные энергии достаточно малы, электромагнитное и слабое взаимодействия отделены и не влияют друг на друга. С ростом энергии начинается их взаимовлияние, и при достаточно больших энергиях эти взаимодействия сливаются в единое электрослабое взаимодействие. Характерная энергия объединения оценивается по порядку величины как 102 ГэВ (ГэВ - это сокращенное от гигаэлектрон-вольт, 1 ГэВ = 109 эВ, 1 эВ = 1.6·10-12 эрг = 1.6·1019 Дж). Для сравнения отметим, что характерная энергия электрона в основном состоянии атома водорода порядка 10-8 ГэВ, характерная энергия связи атомного ядра порядка 10-2 ГэВ, характерная энергия связи твердого тела порядка 10-10 ГэВ. Таким образом, характерная энергия объединения электромагнитных и слабых взаимодействий огромна по сравнению с характерными энергиями в атомной и ядерной физике. По этой причине электромагнитное и слабое взаимодействия не проявляют в обычных физических явлениях своей единой сущности.
Сильное взаимодействие
Сильное взаимодействие ответственно за устойчивость атомных ядер. Поскольку атомные ядра большинства химических элементов стабильны, то ясно, что взаимодействие, которое удерживает их от распада, должно быть достаточно сильным. Хорошо известно, что ядра состоят из протонов и нейтронов. Чтобы положительно заряженные протоны не разлетелись в разные стороны, необходимо наличие сил притяжения между ними, превосходящих силы электростатического отталкивания. Именно сильное взаимодействие является ответственным за эти силы притяжения.
Характерной чертой сильного взаимодействия является его зарядовая независимость. Ядерные силы притяжения между протонами, между нейтронами и между протоном и нейтроном по существу одинаковы. Отсюда следует, что с точки зрения сильных взаимодействий протон и нейтрон неотличимы и для них используется единый термин нуклон, то есть частица ядра.
Итак, мы сделали обзор основных сведений, касающихся четырех фундаментальных взаимодействий Природы. Кратко описаны микроскопические и макроскопические проявления этих взаимодействий, картина физических явлений, в которых они играют важную роль.
МИНОБРНАУКИ РОССИИ
Федеральное государственное бюджетное образовательное учреждение
высшего профессионального образования
"Санкт-Петербургский государственный электротехнический университет "ЛЭТИ" им. В. И. Ульянова (Ленина)"
(СПбГЭТУ)
Факультет экономики и менеджмента
Кафедра физики
По дисциплине "Концепции современного естествознания"
на тему "Слабое взаимодействие"
Проверил:
Альтмарк Александр Моисеевич
Выполнила:
студентка гр. 3603
Колисецкая Мария Владимировна
Санкт-Петербург
1. Слабое взаимодействие - одно из четырех фундаментальных взаимодействий
История изучения
Роль в природе
Слабое взаимодействие - одно из четырех фундаментальных взаимодействий
Слабое взаимодействие, или слабое ядерное взаимодействие, - одно из четырёх фундаментальных взаимодействий
Слабое взаимодействие является короткодействующим - оно проявляется на расстояниях, значительно меньших размера атомного ядра
Переносчиками слабого взаимодействия являются векторные бозоны
Впервые слабые взаимодействия наблюдались при?-распаде атомных ядер. И, как оказалось, эти распады связаны с превращениями протона в нейтрон в ядре и обратно:
р? n + е+ + ?e, n ? р + е- + e,
где n - нейтрон, p - протон, e- - электрон, ??e - электронное антинейтрино.
Элементарные частицы принято делить на три группы:
) фотоны; эта группа состоит всего лишь из одной частицы - фотона - кванта электромагнитного излучения;
) 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 - t-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;
) 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:
В слабом взаимодействии принимают участие все фундаментальные фермионы
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.
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.
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?e 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-преобразования (комбинированной инверсии) ?e и e следующий:
Таким образом, для нейтрино и антинейтрино операция, переводящая частицу в античастицу, это не операция зарядового сопряжения, а CP-преобразование.
История изучения
Изучение слабых взаимодействий продолжалось длительный период.
В 1896 году Беккерель обнаружил, что соли урана испускают проникающее излучение (?-распад тория). Это стало началом исследования слабого взаимодействия.
В 1930 году Паули выдвинул гипотезу о том, что при?-распаде наряду с электронами (е) испускаются легкие нейтральные частицы? нейтрино (?). В том же году Ферми предложил квантово-полевую теорию?-распада. Распад нейтрона (n) есть следствие взаимодействия двух токов: адронныи ток переводит нейтрон в протон (р), лептонный - рождает пару электрон + нейтрино. В 1956 году Райнес впервые наблюдал реакцию ер? nе+ в опытах вблизи ядерного реактора.
Ли и Янг объяснили парадокс в распадах K+-мезонов (? ~ ? загадка) ? распад на 2 и 3 пиона. Он связан с несохранением пространственной четности. Зеркальная асимметрия обнаружена в?-распаде ядер, распадах мюонов, пионов, K-мезонов и гиперонов.
В 1957 году Гелл-Манн, Фейнман, Маршак, Сударшан предложили универсальную теорию слабого взаимодействия, основанную на кварковой структуре адронов. Эта теория, получившая название V-A теории, привела к описанию слабого взаимодействия с помощью диаграмм Фейнмана. Тогда же были открыты принципиально новые явления: нарушение СР-инвариантности и нейтральные токи.
В 1960-х годах Шелдоном Ли Глэшоу
В 1991-2001 годах на ускорителе LEP2 (ЦЕРН) проводилось изучение распадов Z0-бозонов, которое показало, что в природе существует только три поколения лептонов: ?e, ?? и??.
Роль в природе
ядерное взаимодействие слабое
Наиболее распространённый процесс, обусловленный слабым взаимодействием, - b-распад радиоактивных атомных ядер. Явление радиоактивности <#"justify">Список используемой литературы
1. Новожилов Ю.В. Введение в теорию элементарных частиц. М.: Наука, 1972
Окунь Б. Слабое взаимодействие элементарных частиц. М.: Физматгиз, 1963
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
