Слабка взаємодія

Матеріал з Вікіпедії — вільної енциклопедії.
Перейти к навигации Перейти к поиску

Слабка́ взаємоді́я — одна з чотирьох фундаментальних фізичних взаємодій між елементарними частинками поряд із гравітаційною, електромагнітною і сильною взаємодією. Найвідомішим її проявом є бета-розпад і пов'язана з ним радіоактивність. Взаємодія названа слабкою, оскільки напруженість відповідного їй поля в 1013 менша, ніж у полів, що утримують разом ядерні частинки (нуклони і кварки) і в 1010 менша за кулонівську на цих масштабах, проте значно сильніша ніж гравітаційна. Взаємодія має короткий радіус дії і проявляється лише на відстанях порядку розміру атомного ядра. Вважається, що вона характерна для кварків і лептонів, включно з нейтрино. Частинками-переносниками слабкої взаємодії є W- і Z-бозони - дуже масивні елементарні частинки з масами порядку десятків мас протона.

Першу теорію слабкої взаємодії запропонував Енріко Фермі у 1930. При розробці теорії він використав гіпотезу Вольфганга Паулі про існування нової на той час елементарної частинки нейтрино.

Історія[править]

У 1914 році Джеймс Чедвік показав, що при бета-розпаді бісмуту, вилітаючі електрони мають суцільний спектр, тобто, можуть мати довільну кінетичну енергію (у заданих межах), що суперечило закону збереження енергії. До того ж, при бета-розпаді, нові ядра підпорядковуються тій самій статистиці (Фермі — Дірака або Бозе — Ейнштейна), що й до нього (тобто, спін ядра змінюється на ціле число), що дивно, враховуючи те, що спін електрона, який залишає ядро, не цілий — 1/2.

Для пояснення цих суперечностей 1930 року Вольфганг Паулі висунув гіпотезу про існування ще однієї частинки з напівцілим спіном, що також залишає ядро під час бета-розпаду, але через малу масу й нейтральність не фіксується приладами.

1933 році Енріко Фермі, спираючись на гіпотезу Паулі, створив теорію бета-розпаду, відому зараз як взаємодія Фермі, або чотириферміонна взаємодія. Фактично, теорія Фермі була низькоенергетичним наближенням слабкої взаємодії — у ній два нуклони, електрон і нейтрино безпосередньо взаємодіють в одній точці. Важливою ідеєю, що була озвучена в цій роботі, було припущення про те, що частинки, які вилітають з ядра при бета-розпаді, не містяться там, а утворюються при розпаді інших частинок.[1]

У 1956 році Янг Чженьнін і Лі Цзундао, будуючи теорію розпаду K-мезона, припустили, що при слабких взаємодіях може не зберігатись парність, тобто, симетрія відносно дзеркального відбиття (P-симетрія). Вже 1957 року Ву Цзяньсюн експериментально підтвердила цю гіпотезу. За свою теорію Янг і Лі отримали нобелівську премію з фізики того ж року. Пізніше Лев Ландау припустив, що, хоча P-симетрія не зберігається, CP-симетрія, тобто незмінність законів при дзеркальному відбитті і зарядовому спряженні (заміні всіх зарядів на протилежні). Проте, виявилося, що ця симетрія також не зберігається, і за це порушення також відповідна слабка взаємодія — 1964 року Джеймс Кронін і Вал Фітч довели це, досліджуючи розпад нейтральних каонів.

У 1960-х роках Шелдоном Лі Ґлешоу, Стівеном Вайнбергом та Абдусом Саламом була розроблена теорія електрослабкої взаємодії, що об’єднувала електромагнітну і слабку взаємодію. У цій теорії були введені калібрувальні поля і векторні бозони цих полів (W+, W- і Z0-бозони).

На час створення цієї теорії Z-бозони ще не були відкриті, тому їх відкриття 1973 року під час експериментів з бульбашковою камерою "Гаргамель" колаборацією CERN стало блискучим її підтвердженням.[2]

У 1964 році Пітером Хіггсом був запропонований механізм спонтанного порушення електрослабкої симетрії, що пояснює, яким чином носії слабкої взаємодії набули маси. Його теорія передбачала існування нового поля, взаємодіючи з яким деякі частинки отримували масу. У 2012 році під час експериментів на Великому адронному колайдері було виявлено квант цієї взаємодії — бозон Хіггса.

Масштаби та інтенсивність процесів[править]

Слабка взаємодія описує ті процеси ядерної фізики та фізики елементарних частинок, які відбуваються відносно повільно, на противагу швидким процесам, зумовленим сильною взаємодією. Наприклад, період напіврозпаду нейтрона становить приблизно 16 хв. — вічність у порівнянні з ядерними процесами, для яких характерний час становить 10−23 с.

Для порівняння заряджені піони Шаблон:SubatomicParticle розпадаються через слабку взаємодію і мають час життя Шаблон:Nowrap c, тоді як нейтральний піон Шаблон:SubatomicParticle розпадається на два гамма-кванти через електромагнітну взаємодію і має час життя Шаблон:Nowrap c.

Інша характеристика взаємодії - довжина вільного пробігу частинок в речовині. Частинки, які взаємодіють через електромагнітну взаємодію - заряджені частинки, гамма-кванти, можна затримати залізною плитою товщиною в кілька десятків сантиметрів. Тоді як нейтрино, що взаємодіє лише слабко, проходить, не зіткнувшись ні разу, через шар металу товщиною мільярд кілометрів.

Радіус дії слабкої взаємодії є найменшим з усіх фундаментальних, і складає усього 2·10-18 метра, що на кілька порядків менше радіусу протону. Таке мале значення пов’язане з важкістю W- і Z-бозонів, носіїв цієї взаємодії.

Втім, інтенсивність взаємодії дуже залежить від енергії. Так, розпад лямбда-гіперона, енерговиділення при якому близько 100 МеВ, відбувається в 1013 разів швидше, ніж розпад нейтрона, енерговиділення при якому становить лише 1 МеВ.

Також, інтенсивність взаємодії дуже залежить від відстані між частинками. На відстані 3·10-17 м електромагнітна взаємодія між зарядженими ферміонами в 10 000 разів перевищує слабку взаємодію, тоді як на відстані 10-18 вони мають один і той же порядок. Фактично, теорія електрослабких взаємодій говорить, що електромагнітна і слабка взаємодія мають однакову інтенсивність, а уся різниця між ними спричинена масивністю носіїв слабкої взаємодії, через яку вони дуже швидко розпадаються.[3]

Частинки, здатні до слабкої взаємодії[править]

У слабкій взаємодії беруть участь кварки і лептони, у тому числі нейтрино. Взаємодія відбувається через обмін W- і Z-бозонами

Кварки[править]

Існує 6 типів кварків: u-кварк, d-кварк, s-кварк, c-кварк, b-кварк і t-кварк. Усі вони, а також їх античастинки, беруть участь у слабкій взаємодії. При цьому може змінюватися аромат частинок, тобто їхній тип. Наприклад, у результаті розпаду нейтрона один з його d-кварків перетворюється на u-кварк.

Лептони[править]

Усі лептони: електрони, мюони, тау-частинки, а також всі типи нейтрино, беруть участь у слабкій взаємодії. Нейтрино унікальні тим, що взаємодіють із іншими частинками тільки через слабку, й ще слабшу гравітаційну взаємодію. Під час процесів, спричинених слабкою взаємодією, лептони одного типу можуть перетворюватися на лептони іншого, наприклад, мюон розпадається на електрон, електронне антинейтрино і мюонне нейтрино.[4]

Калібрувальні бозони[править]

За сучасними уявленнями, сформульованими в Стандартній моделі, слабка взаємодія переноситься калібрувальними W- і Z- бозонами, які були виявлені на прискорювачах у 1982. Їхні маси становлять 80,41 і 91,18 мас протона.

Моделі слабкої взаємодії[править]

Чотириферміонна взаємодія[править]

Докладніше: Взаємодія Фермі

Першим математичним описом слабкої взаємодії була так звана чотириферміонна взаємодія, або взаємодія Фермі. Згідно цьому опису, чотири ферміони взаємодіють безпосередньо в одній точці, або під час розпаду однієї частинки на три, або під час зіткнення двох частинок, що породжують дві інші.

У цій теорії переріз взаємодії між частинками описується як[5]

<math>\sigma=\frac{G_{F}s}{\pi}</math>

де Gf — константа Фермі, що дорівнює приблизно 10−5Mp2, а s — квадрат інваріантної енергії.

Ця теорія добре описує взаємодію частинок за малих енергій, проте вона є принципово неповною через те, що вона не є перенормованою. При енергіях, близьких до 100 ГеВ вона перестає описувати реальну взаємодію. Крім того, при розпаді важких частинок, наприклад, лямбда-гіперона, константа взаємодії стає іншою.[6]

Електрослабка взаємодія[править]

У 1969 була побудована єдина теорія електромагнітної і слабкої ядерної взаємодії, за якою при енергіях порад 100 ГеВ, що відповідає температурі 1015 К різниця між електромагнітними і слабкими процесами зникає.

Теорія електрослабкої взаємодії побудована на основі групи симетрії SU(2)×U(1). Цьому відповідають 4 безмасових векторних поля: поля Янга-Міллса з квантами W1, W2, W3, що відповідають групі SU(2) і поле B, що відповідає симетрії U(1). Проте завдяки механізму Хіггса і спонтанному порушенню симетрії, ці частинки змішуються, при цьому деякі з них отримують маси.[7]

Масивний нейтральний бозон:

<math> Z= \cos \theta_W W_3 - \sin \theta_W B</math>, де <math>\theta_W</math> — кут Вайнберга.

Безмасовий нейтральний бозон:

<math> A = \sin \theta_W W_3 + \cos \theta_W B</math>, цей бозон є фотоном.

Масивні заряджені бозони:

<math>W^{\pm} = \frac1{\sqrt2}\left(W_1 \mp i W_2\right)</math>.

На відміну від взаємодії Фермі, електрослабка взаємодія допускає процедуру перенормування, а тому для обчислення амплітуд полів у слабкій взаємодії можна використовувати теорію збурень. [8]

Багато теорій передбачають, що електрослабка взаємодія при ще більших енергіях об'єднується з сильною. Теорії, що передбачають таку уніфікацію називаються теоріями великого об'єднання. Проте пряма експериментальна перевірка єдиної теорії електрослабкої і сильної ядерної взаємодії потребує збільшення енергії прискорювачів у сто мільярдів разів, тому наразі можлива лише завдяки через пошуки тонких ефектів, що проявлялися б на менших енергіях.

Слабкий заряд[править]

Здатність частинки до слабкої взаємодії описується квантовим числом, що називається слабкий ізоспін. Частинки, що беруть участь у слабкій взаємодії мають наступні значення слабкого ізоспіну:

  • +1/2 для усіх типів нейтрино, u, c і t-кварка.
  • -1/2 для електрону, мюону, тау-частинки, а також d, s і b-кварка

Ці значення відповідають частинкам з лівою спіральністю. Ферміони з правою спіральністю мають нульовий ізоспін, так само як і антиферміони з лівою. Антиферміони з правою спіральністю мають протилежні значення ізоспіну.

W-бозони також мають слабкий ізоспін: +1 для W+-бозону і -1 для W--бозону. Ізоспін Z0-бозону — нульовий.

Слабкий ізоспін зберігається в реакціях між елементарними частинками. Це означає, що сумарний слабкий ізоспін усіх частинок, які беруть участь в реакції, залишається незмінним, хоча типи частинок можуть при цьому мінятися.

Слабкі струми[править]

Слабким струмом називають процес обміну проміжними векторними W- і Z-бозонами. Обмін віртуальними W-бозонами називають зарядженим струмом, обмін Z-бозонами - нейтральним струмом.

Заряджений слабкий струм[править]

Заряджений слабкий струм відбувається як обмін зарядженими W-бозонами. У таких реакціях, заряди частинок, що беруть участь у взаємодії, змінюється на одиницю.[9] Вершини діаграм Фейнмана, що описують можливі процеси за участю калібрувальних W-бозонів можна розділити на такі типи: [10]

  1. лептон може випромінити або поглинути W-бозон, і перетворитися в нейтрино;
  2. кварк може випромінити або поглинути W-бозон, і змінити свій аромат, перетворившись у суперпозицію інших кварків
  3. W-бозон може розпастися на лептон і антинейтрино відповідного покоління, або ж на пару кварків.
  4. Пара кварків або лептон і відповідне антинейтрино можуть, зіткнувшись, утворить W-бозон

Найвідомішим прикладом такої реакції є бета-розпад, <math>n\rightarrow p+ e^- + \bar{\nu}_e</math>.

Нейтральний слабкий струм[править]

Заряджений слабкий струм відбувається як обмін нейтральними Z-бозонами. У таких реакціях, частинки не змінюють свої заряди і аромати. Прикладом такої реакції є пружне розсіяння нейтрино на протоні, p + ν → p + ν. [11] Усі реакції такого типу можуть бути описані як:[12]

  1. Поглинання або випромінення кварком або лептоном Z-бозону.
  2. Утворення Z-бозону при зіткненні частинки зі своєю античастинкою
  3. Розпад Z-бозону на пару електрон-позитрон, мюон-антимюон, тау-антитау, пару нейтріно або пару кварків.

Останній процес є важливим для вирішення питання про кількість поколінь частинок. Якби існувало четверте покоління, то воно проявилося б при розпаді Z-бозону.

Нейтральні струми, на відміну від заряджених, не призводять до розпаду частинок, що беруть у них участь, а тому можуть бути зафіксовані як більш звичні силові поля. Наприклад, така взаємодія існує між кварками ядра і електронами у атомах. При цьому, за модулем вона в 107 менша, ніж електромагнітна взаємодія між цими частинками.[13][14]

Іншим прикладом процесу, в якому беруть участь Z-бозони є пружне розсіяння нейтріно на електроні або іншій частинці.

Закони збереження і слабка взаємодія[править]

Закони збереження, що порушуються[править]

Особливістю слабкої взаємодії є те, що багато величин, що зберігаються під час всіх інших взаємодій, не зберігаються під час слабкої. До таких величин належать:

Аромат кварків[править]

Шляхи розпаду і ймовірності для різних каналів Під час розпаду частинок, викликанному слабкою взаємодією, більш важкі кварки перетворюються на більш легкі. При цьому, кварки з групи (u, c, t) перетворюються на кварки з групи (d, s, b), і навпаки. Вірогідності цих перетворень описуються СКМ-матрицею. Ця залежність виражається наступним чином:

<math>\begin{bmatrix} u \\ c \\ t \end{bmatrix} = \begin{bmatrix} V_{ud} & V_{us} & V_{ub} \\ V_{cd} & V_{cs} & V_{cb} \\ V_{td} & V_{ts} & V_{tb} \end{bmatrix} \begin{bmatrix} d \\ s \\ b \end{bmatrix}.</math>

НаразіШаблон:Коли емпірично виміряні коофіцієнти цієї матриці дорівнюють:

<math>

\begin{bmatrix} |V_{ud}| & |V_{us}| & |V_{ub}| \\ |V_{cd}| & |V_{cs}| & |V_{cb}| \\ |V_{td}| & |V_{ts}| & |V_{tb}| \end{bmatrix} = \begin{bmatrix} 0.97427 \pm 0.00015 & 0.22534 \pm 0.00065 & 0.00351^{+0.00015}_{-0.00014} \\ 0.22520 \pm 0.00065 & 0.97344 \pm 0.00016 & 0.0412^{+0.0011}_{-0.0005} \\ 0.00867^{+0.00029}_{-0.00031} & 0.0404^{+0.0011}_{-0.0005} & 0.999146^{+0.000021}_{-0.000046} \end{bmatrix}. </math>

Парність[править]

Особливістю слабкої взаємодії є те, що вона порушує парність, оскільки здатність до слабкої взаємодії через заряджені струми мають тільки ферміони з лівою хіральністю і античастинки ферміонів із правою хіральністю. Незбереження парності в слабкій взаємодії відкрили Янг Чженьнін та Лі Цзундао, за що отримали Нобелівську премію з фізики за 1957 рік. Причину незбереження парності вбачають у спонтанному порушенні симетрії. У рамках Стандартної моделі за порушення симетрії відповідає бозон Хіггса.

СР-інваріантність[править]

При слабкій взаємодії порушується також CP симетрія. Це порушення було виявлено експериментально в 1964 році в експериментах із каонами. Автори відкриття Джеймс Кронін та Вал Фітч нагороджені Нобелівською премією за 1980. Незбереження CP-симетрії відбувається набагато рідше, ніж порушення парності. Воно означає також, оскільки збереження CPT-симетрія опирається на фундаментальні фізичні принципи - перетворення Лоренца та близькодію, можливість порушення T-симетрії, тобто неінваріантність фізичних процесів щодо зміни напрямку часу.

Ізотопічний спін[править]

Ізотопічний спін, число, що виражає симетрію деяких частинок відносно сильної взаємодії, і не змінюється у реакціях сильної взаємодії, не зберігається під час слабкої взаємодії.

Величини, що зберігаються[править]

Такі закони збереження, як закон збереження заряду, баріонного та лептонного числа, а також комбінованої CPT-симетрії не порушуються під час реакцій слабкої взаємодії.

Реакції та їх значення[править]

Незважаючи на малу величину і короткодію, слабка взаємодія виконує дуже важливу роль в природі.

Радіоактивність[править]

Докладніше: Бета-розпад

Бета-розпад, один з шляхів радіоактивного розпаду, відбувається за рахунок перетворення одного з d-кварків одного з нейтронів в u-кварк, у зв'язку з чим нейтрон перетворюється на протон. Бета-розпад має багато застосувань: у медицині, для радіоізотопного датування та інші. Існує кілька типів бета-розпаду: β-, β+ і захоплення електрону.

Зоряний нуклеосинтез[править]

Цикл реакцій, завдяки яким з ядер гідрогену утворюються ядра гелію (протон-протонний ланцюжок) починається з реакції утворення дейтрону з двох протонів, з утворенням позитрону і нейтрино, що є по суті β+ розпадом. Без слабкої взаємодії ця реакція не змогла б йти, тому зірки, маса яких є меншою за 1,2 сонячних мас не могли б підтримувати термоядерні реакції, а кількість елементів, важчих за гелій, у Всесвіті, була б значно нижчою.

Нейтринне охолодження[править]

Процеси слабкої взаємодії важливі для еволюції зірок, оскільки вони зумовлюють втрати енергії дуже гарячих зір у вибухах наднових з утворенням пульсарів, і т.д. Під час цих реакцій утворюється велика кількість нейтріно, що без перешкод виходять з ядер зірок, виносячи з собою енергію.[15] Швидкість нейтринного охолодження значно вища ніж швидкість фотонного охолодження, через те, що нейтрино випромінюються усім об'ємом ядра, тоді як фотони можуть проходити лише через його поверхню.

Розпад важких частинок[править]

Практично всі атоми Всесвіту складаються з частинок першого покоління — електронів, u-кварків і d-кварків. Пі-мезони, завдяки яким нуклони тримаються разом також складаються з кварків першого покоління. Проте, якби не було слабкої взаємодії в природі були б стабільні і широко поширені в звичайній речовині мюони, гіперонии та інші частинки, що зробило б світ кардинально іншим ніж той, який ми бачимо. Настільки важлива роль слабкої взаємодії пов'язана з тим, що вона не підкоряється низці заборон, характерних для сильної і електромагнітної взаємодій. Зокрема, слабка взаємодія перетворює заряджені лептони в інші заряджені лептони, а кварки одного аромату - в кварки іншого, виділяючи при цьому лептони.

Мезонні осциляції[править]

Діаграма осциляцій K-мезону У 1987 році під час експериментів у Шаблон:Нп було встановлено, що B-мезони і їх античастинки можуть спонтанно перетворюватися один на одного.[16] Це явище може бути причиною асиметрії матерії і антиматерії у Всесвіті.[17] Подібні осциляції характерні також для каонів і D-мезонів. Процеси осциляції відбуваються за рахунок подвійного процесу: одночасного обміну W+ і W- бозонами між його кварками, в результаті чого кожен з кварків перетворюється на свого антипартнера. При цьому загальний заряд і баріонне число частинки лишаються нульовими, а маса не змінюється.

Примітки[править]

  1. Сторінки розвитку нейтринної фізикиОбнаружена петля в шаблонах: Шаблон:Ref-info
  2. ЦЕРН — Європейський центр ядерних дослідженьОбнаружена петля в шаблонах: Шаблон:Ref-info
  3. ElectroweakОбнаружена петля в шаблонах: Шаблон:Ref-info
  4. мюоныОбнаружена петля в шаблонах: Шаблон:Ref-info
  5. Лекции по теории электрослабых взаимодействийОбнаружена петля в шаблонах: Шаблон:Ref-info
  6. Векторный и аксиально-векторный слабые токи в унитарной симметрии и кварковой модели
  7. ЭЛЕКТРОСЛАБОЕ ВЗАИМОДЕЙСТВИЕОбнаружена петля в шаблонах: Шаблон:Ref-info
  8. слабое взаимодействиеОбнаружена петля в шаблонах: Шаблон:Ref-info
  9. заряженный токОбнаружена петля в шаблонах: Шаблон:Ref-info
  10. THE "W" INTERMEDIATE VECTOR BOSON AND THE WEAK FORCE MECHANISMОбнаружена петля в шаблонах: Шаблон:Ref-info
  11. нейтральный токОбнаружена петля в шаблонах: Шаблон:Ref-info
  12. Промежуточные бозоныОбнаружена петля в шаблонах: Шаблон:Ref-info
  13. Наблюдение несохранения чётности в атомах
  14. Synopsis: The Weaker Side of the ProtonОбнаружена петля в шаблонах: Шаблон:Ref-info
  15. Остывание нейтронных звезд и сверхтекучесть в их ядрахОбнаружена петля в шаблонах: Шаблон:Ref-info
  16. Observation of B0 - anti-B0 Mixing
  17. A New Clue to Explain ExistenceОбнаружена петля в шаблонах: Шаблон:Ref-info

Джерела[править]


Фундаментальні взаємодії
Гравітація | Електромагнітна взаємодія | Слабка взаємодія | Сильна взаємодія


Категорія:Фундаментальні взаємодії