Слабое взаимодействие проявляет себя в процессах. Слабые взаимодействия

Слабое взаимодействие.К выявлению существования слабого взаимодействия физика про­двигалась медленно. Слабое взаимодействие ответственно за распа­ды частиц; и поэтому с его проявлением столкнулись с открытием радиоактивности и исследованием бета-распада.
У бета-распада обнаружилась в высшей степени странная особен­ность. Исследования приводили к выводу, что в этом распаде как будто нарушается один из фундаментальных законов физики – закон сохранения энергии. Казалось, что часть энергии куда-то исчезала. Чтобы «спасти» закон сохранения энергии, В. Паули предположил, что при бета-распаде вместе с электроном вылетает, унося с собой недостающую энергию, еще одна частица. Она - нейтральная и обла­дает необычайно высокой проникающей способностью, вследствие чего ее не удавалось наблюдать. Э. Ферми назвал частицу-невидимку «нейтрино».
Но предсказание нейтрино - это только начало проблемы, ее постановка. Нужно было объяснить природу нейтрино, но здесь ос­тавалось много загадочного. Дело в том, что электроны и нейтрино испускались нестабильными ядрами. Но было неопровержимо доказано, что внутри ядер нет таких частиц. Об их возникновении было высказано предположение, что электроны и нейтрино не существуют в ядре в «готовом виде», а каким-то образом образуются из энергии радиоактивного ядра. Дальнейшие исследования показали, что вхо­дящие в состав ядра нейтроны, предоставленные самим себе, через несколько минут распадаются на протон, электрон и нейтрино, т.е. вместо одной частицы появляется три новые. Анализ приводил к выводу, что известные силы не могут вызвать такой распад. Он, видимо, порождался какой-то иной, неизвестной силой. Исследования показали, что этой силе соответствует некоторое слабое взаимодействие.
Слабое взаимодействие по величине значительно меньше всех

взаимодействий, кроме гравитационного, и в системах, где оно присутствует, его эффекты оказываются в тени электромагнитного и сильного взаимодействий. Кроме того, слабое взаимодействие распространяется на очень незначительных расстояниях. Радиус слабо­го взаимодействия очень мал. Слабое взаимодействие прекращается на расстоянии, большем 10-16 см от источника, и потому оно не может влиять на макроскопические объекты, а ограничивается микроми­ром, субатомными частицами. Когда началось лавинообразное открытие множества нестабильных субъядерных частиц, то обнаружилось, что большинство из них участвуют в слабом взаимодействии.

Сильное взаимодействие.Последнее в ряду фундаментальных взаимодействий - сильное взаи­модействие, которое является источником огромной энергии. Наи­более характерный пример энергии, высвобождаемой сильным взаимодействием, - Солнце. В недрах Солнца и звезд непрерывно про­текают термоядерные реакции, вызываемые сильным взаимодействием. Но и человек научился высвобождать сильное взаимодействие: создана водородная бомба, сконструированы и совершенствуются технологии управляемой термоядерной реакции.
К представлению о существовании сильного взаимодействия фи­зика шла в ходе изучения структуры атомного ядра. Какая-то сила должна удерживать положительно заряженные протоны в ядре, не позволяя им разлетаться под действием электростатического оттал­кивания. Гравитация слишком слаба и не может это обеспечить; оче­видно, необходимо какое-то взаимодействие, причем, более сильное, чем электромагнитное. Впоследствии оно было обнаружено. Выясни­лось, что хотя по своей величине сильное взаимодействие существенно превосходит все остальные фундаментальные взаимодействия, но за пределами ядра оно не ощущается. Как и в случае слабого взаимо­действия, радиус действия новой силы оказался очень малым: силь­ное взаимодействие проявляется на расстоянии, определяемом раз­мерами ядра, т.е. примерно 10-13 см. Кроме того, выяснилось, что сильное взаимодействие испытывают не все частицы. Так, его испы­тывают протоны и нейтроны, но электроны, нейтрино и фотоны неподвластны ему. В сильном взаимодействии участвуют обычно толь­ко тяжелые частицы. Оно ответственно за образование ядер и многие взаимодействия элементарных частиц.
Теоретическое объяснение природы сильного взаимодействия развивалось трудно. Прорыв наметился только в начале 60-х гг., когда была предложена кварковая модель. В этой теории нейтроны и про­тоны рассматриваются не как элементарные частицы, а как состав­ные системы, построенные из кварков.

Гравитационное взаимодействие существует между всеми элементарными частицами и обусловливает гравитационное притяжение всех тел друг к другу на любых расстояниях (смотри Всемирного тяготения закон); оно пренебрежимо мало в физических процессах в микромире, но играет основную роль, например, в космогонии. Слабое взаимодействие проявляется лишь на расстояниях около 10-18 м и обусловливает распадные процессы (например, бета-распад некоторых элементарных частиц и

ядер). Электромагнитное взаимодействие существует на любых расстояниях между элементарными частицами, имеющими электрический заряд или магнитный момент; в частности, оно определяет связь электронов и ядер в атомах, а также ответственно за все виды электромагнитных излучений. Сильное взаимодействие проявляется на расстояниях около 10-15 м и обусловливает существование ядер атомов.

СЛАБОЕ ВЗАИМОДЕЙСТВИЕ - одно из четырёх известных фундам. взаимодействий между . С. в. значительно слабее сильного и эл--магн. взаимодействий, но гораздо сильнее гравитационного. В 80-х гг. установлено, что слабое и эл--магн. взаимодействия - разл. проявления единого электрослабого взаимодействия .

Об интенсивности взаимодействий можно судить по скорости процессов, к-рые оно вызывает. Обычно сравнивают между собой скорости процессов при энергиях ГэВ, характерных для физики элементарных частиц. При таких энергиях процесс, обусловленный сильным взаимодействием, происходит за время с, эл--магн. процесс за времяс, характерное же время процессов, происходящих за счёт С. в. (слабых процессов), гораздо больше:с, так что в мире элементарных частиц слабые процессы протекают чрезвычайно медленно.

Другая характеристика взаимодействия - частицы в веществе. Сильно взаимодействующие частицы (адроны) можно задержать железной плитой толщиной в неск. десятков см, тогда как нейтрино, обладающее лишь С. в., проходило бы, не испытав ни одного столкновения, через железную плиту толщиной порядка миллиарда км. Ещё более слабым является гравитац. взаимодействие, сила к-рого при энергии ~1 ГэВ в 10 33 раз меньше, чем у С. в. Однако обычно роль гравитац. взаимодействия гораздо заметнее роли С. в. Это связано с тем, что гравитац. взаимодействие, как и электромагнитное, имеет бесконечно большой радиус действия; поэтому, напр., на тела, находящиеся на поверхности Земли, действует гравитац. притяжение всех атомов, из к-рых состоит Земля. Слабое же взаимодействие обладает очень малым радиусом действия: ок. 2*10 -16 см (что на три порядка меньше радиуса сильного взаимодействия). Вследствие этого, напр., С. в. между ядрами двух соседних атомов, находящихся на расстоянии 10 -8 см, ничтожно мало, несравненно слабее не только электромагнитного, но и гравитац. взаимодействий между ними.

Однако, несмотря на малую величину и короткодействие, С. в. играет очень важную роль в природе. Так, если бы удалось «выключить» С. в., то погасло бы Солнце, поскольку был бы невозможен процесс превращения протона в нейтрон, позитрон и нейтрино, в результате к-рого четыре протона превращаются в 4 Не, два позитрона и два нейтрино. Этот процесс служит осн. источником энергии Солнца и большинства звёзд (см. Водородный цикл ).Процессы С. в. с испусканием нейтрино вообще исключительно важны в эволюции звёзд , т. к. обусловливают потери энергии очень горячими звёздами, во взрывах сверхновых звёзд с образованием пульсаров и т. д. Если бы не было С. в., были бы стабильны и широко распространены в обычном веществе мюоны,-мезоны, странные и очарованные частицы, к-рые распадаются в результате С. в. Столь большая роль С. Е. связана с тем, что оно не подчиняется ряду запретов, характерных для сильного и эл--магн. взаимодействий. В частности, С. в. превращает заряженные лептоны в нейтрино, а одного типа (аромата) в кварки др. типов.

Интенсивность слабых процессов быстро растёт с ростом энергии. Так, бета-распад нейтрона ,энерговыделение в к-ром мало (~1 МэВ), длится ок. 10 3 с, что в 10 13 раз больше, чем время жизни-гиперона, энерговыделение при распаде к-рого составляет ~100 МэВ. Сечение взаимодействия с нуклонами для нейтрино с энергией ~100 ГэВ прибл. в миллион раз больше, чем для нейтрино с энергией ~1 МэВ. По теоретич. представлениям, рост сечения продлится до энергий порядка неск. сотен ГэВ (в системе центра инерции сталкивающихся частиц). При этих энергиях и при больших передачах импульсов проявляются эффекты, связанные с существованием промежуточных векторных бозонов . На расстояниях между сталкивающимися частицами, много меньших 2*10 -16 см (комптоновской длины волны промежуточных бозонов), С. в. и эл--магн. взаимодействия имеют практически одинаковую интенсивность.

Наиб. распространённый процесс, обусловленный С. в.,- бета-распад радиоактивных атомных ядер. В 1934 Э. Ферми (Е. Fermi) построил теорию-распада, к-рая с нек-рыми существ. модификациями легла в основу последующей теории т. н. универсального локального четырёхфермионного С. в. (взаимодействия Ферми). Согласно теории Ферми, электрон и нейтрино (точнее, ), вылетающие из-радиоактивного ядра, не находились в нём до этого, а возникли в момент распада. Это явление аналогично испусканию фотонов низкой энергии (видимого света) возбуждёнными атомами или фотонов высокой энергии (-квантов) возбуждёнными ядрами. Причиной таких процессов является взаимодействие электрич. частиц с эл--магн. полем: движущаяся заряженная частица создаёт электромагнитный ток, к-рый возмущает эл--магн. поле; в результате взаимодействия частица передаёт энергию квантам этого поля - фотонам. Взаимодействие фотонов с эл--магн. током описывается выражениемА . Здесь е - элементарный электрич. заряд, являющийся константой эл--магн. взаимодействия (см. Константа взаимодействия), А - оператор фотонного поля (т. е. оператор рождения и уничтожения фотона), j эм - оператор плотности эл--магн. тока. (Часто в выражение для эл--магн. тока включают также множитель е .)В j эм дают вклад все заряж. частицы. Напр., слагаемое, отвечающее электрону, имеет вид:, где- оператор уничтожения электрона или рождения позитрона, а- оператор рождения электрона или уничтожения позитрона. [Выше для упрощения не показано, что j эм, так же как А , является четырёхмерным вектором. Более точно, вместо следует писать совокупность четырёх выражений где - Дирака матрицы, = 0, 1, 2, 3. Каждое из этих выражений умножается на соответствующую компоненту четырёхмерного вектора.]

Взаимодействие описывает не только испускание и поглощение фотонов электронами и позитронами, но и такие процессы, как рождение фотонами электрон-позитронных пар (см. Рождение пар )или аннигиляция этих пар в фотоны. Обмен фотоном между двумя заряж. частицами приводит к взаимодействию их друг с другом. В результате возникает, напр., рассеяние электрона протоном, к-рое схематически изображается Фейнмана диаграммой , представленной на рис. 1. При переходе протона в ядре с одного уровня на другой это же взаимодействие может привести к рождению электрон-позитронной пары (рис. 2).

Теория-распада Ферми по существу аналогична теории эл--магн. процессов. Ферми положил в основу теории взаимодействие двух «слабых токов» (см. Ток в квантовой теории поля), но взаимодействующих между собой не на расстоянии путём обмена частицей - квантом поля (фотоном в случае эл--магн. взаимодействия), а контактно. Это взаимодействие между четырьмя фермионными полями (четырьмя фермионами р, п, е и нейтрино v) в совр. обозначениях имеет вид: . Здесь G F - константа Ферми, или константа слаоого четырёхфермионного взаимодействия, эксперим. значение к-рой эрг*см 3 (величина имеет размерность квадрата длины, и в единицах константа, где М - масса протона),- оператор рождения протона (уничтожения антипротона),- оператор уничтожения нейтрона (рождения антинейтрона),- оператор рождения электрона (уничтожения позитрона), v - оператор уничтожения нейтрино (рождения антинейтрино). (Здесь и в дальнейшем операторы рождения и уничтожения частиц обозначены символами соответствующих частиц, набранными полужирным шрифтом.) Ток, переводящий нейтрон в протон, получил впоследствии название нуклонного, а ток - лептонного. Ферми постулировал, что, подобно эл--магн. току, слабые токи также являются четырёхмерными векторами: Поэтому взаимодействие Ферми наз. векторным.

Подобно рождению электрон-позитронной пары (рис. 2),-распад нейтрона может быть описан похожей диаграммой (рис. 3) [античастицы помечены значком «тильда»над символами соответствующих частиц]. Взаимодействие лептонного и нуклонного токов должно приводить и к др. процессам, напр. к реакции (рис. 4), к пар (рис. 5) и и т. д.

Существ. отличием слабых токов иот электромагнитного является то, что слабый ток меняет заряд частиц, в то время как эл--магн. ток не меняет: слабый ток превращает нейтрон в протон, электрон в нейтрино, а электромагнитный оставляет протон протоном, а электрон электроном. Поэтому слабые токии ev наз. заряженными токами . Согласно такой термин логии, обычный эл--магн. ток ее является нейтральным током .

Теория Ферми опиралась на результаты исследований в трёх разл. областях: 1) эксперим. исследования собственно С. в. (-распад), приведшие к гипотезе о существовании нейтрино; 2) эксперим. исследования сильного взаимодействия (), приведшие к открытию протонов и нейтронов и к пониманию того, что ядра состоят из этих частиц; 3) эксперим. и теоретич. исследования эл--магн. взаимодействия, в результате к-рых бил заложен фундамент квантовой теории поля. Дальнейшее развитие физики элементарных частиц неоднократно подтверждало плодотворную взаимозависимость исследований сильного, слабого и эл--магн. взаимодействий.

Теория универсального четырёхфермионного С. в. отличается от теории Ферми в ряде существ, пунктов. Эти отличия, установленные за последующие годы в результате изучения элементарных частиц, свелись к следующему.

Гипотеза о том, что С. в. не сохраняет чётность, была выдвинута Ли Цзундао (Lee Tsung-Dao) и Янг Чженьнином (Yang Chen Ning) в 1956 при теоретич. исследовании распадов К-мезонов ; вскоре несохранение Р - и С-чётностей было обнаружено экспериментально в-распаде ядер [ By Цзяньсун (Wu Chien-Shiung) с сотрудниками], в распаде мюона [Р. Гарвин (R. Garwin), Л. Ледерман (L. Lederman), В. Телегди (V. Telegdi), Дж. Фридман (J. Friedman) и др.] и в распадах др. частиц.

Обобщая огромный эксперим. материал, М. Гелл-Ман (М. Gell-Mann), P. Фейнман (R. Feynman), P. Маршак (R. Marshak) и Э. Сударшан (Е. Sudarshan) в 1957 предложили теорию универсального С. в.- т. н. V - А -теорию. В формулировке, основанной на кварковой структуре адронов, эта теория заключается в том, что полный слабый заряженный ток j u является суммой лептонных и кварковых токов, причём каждый из этих элементарных токов содержит одну и ту же комбинацию дираковских матриц:

Как выяснилось впоследствии, заряж. лептонный ток, представленный в теории Ферми одним членом, является суммой трёх слагаемых: причём каждый из известных заряж. лептонов (электрон, мюон и тяжёлый лептон )входит в заряж. ток со своим нейтрино .

Заряж. адронный ток, представленный в теории Ферми членом, является суммой кварковых токов. К 1992 известнопять типов кварков , из к-рых построены все известные адроны, и предполагается существование шестого кварка (t с Q = + 2 / 3). Заряженные кварковые токи, так же как и лептонные токи, обычно записывают в виде суммы трёх слагаемых:

Однако здесь являются линейными комбинациями операторов d, s, b , так что кварковый заряженный ток состоит из девяти слагаемых. Каждый из токов является суммой векторного и аксиального токов с коэффициентами, равными единице.

Коэффициенты девяти заряженных кварковых токов обычно представляют в виде матрицы 3x3, к-рая параметризуется тремя углами и фазовым множителем, характеризующим нарушение СР-инвариантности в слабых распадах. Эта матрица получила назв. матрицы Кобаяши - Маскавы (М. Kobayashi, T. Maskawa).

Лагранжиан С. в. заряженных токов имеет вид:

Еде- ток, сопряжённый и т. д.). Такое взаимодействие заряженных токов количественно описывает огромное число слабых процессов: лептонных , полулептонных ( и т. д.) и нелептонных ( ,, и т. д.). Многие из этих процессов были открыты после 1957. За этот период были открыты также два принципиально новых явления: нарушение СР-инвариантности и нейтральные токи.

Нарушение СР-инвариантности было обнаружено в 1964 в эксперименте Дж. Кристепсона (J. Christenson), Дж. Кронина (J. Cronin), В. Фитча (V. Fitch) и Р. Тёрли (R. Turley), к-рые наблюдали распад долгоживущих К°-мезонов на два-мезона. Позднее нарушение СР-инвариантности наблюдалось также в полулептонных распадах. Для выяснения природы СР-неинвариантного взаимодействия было бы крайне важным найти к--л. СР-неинвариантный процесс в распадах или взаимодействиях др. частиц. В частности, большой интерес представляют поиски дипольного момента нейтрона (наличие к-рого означало бы нарушение инвариантности относительно обращения времени , а следовательно, согласно теореме СРТ , и СР-инвариантности).

Существование нейтральных токов было предсказано единой теорией слабого и эл--магн. взаимодействий, созданной в 60-х гг. Ш. Глэшоу (Sh. Glashow), С. Вайнбергом (S. Weinberg), А. Саламом (A. Salam) и др. и позднее получившей назв. стандартной теории электрослабого взаимодействия. Согласно этой теории, С. в. не является контактным взаимодействием токов, а происходит путём обмена промежуточными векторными бозонами (W + , W - , Z 0 )- массивными частицами со спином 1. При этом-бозоны осуществляют взаимодействие заряж. токов (рис. 6), а Z 0 -бозоны - нейтральных (рис. 7). В стандартной теории три промежуточных бозона и фотон являются квантами векторных, т. н. калибровочных полей , выступающими при асимптотически больших передачах четырёхмерного импульса ( , m z , где m w , m z - массы W - и Z-бозонов в энергетич. единицах) совершенно равноправно. Нейтральные токи были обнаружены в 1973 во взаимодействии нейтрино и антинейтрино с нуклонами. Позднее были найдены процессы рассеяния мюонного нейтрино на электроне, а также эффекты несохранения чётности во взаимодействии электронов с нуклонами, обусловленные электронным нейтральным током (эти эффекты впервые наблюдались в опытах по несохранению чётности при атомных переходах, проведённых в Новосибирске Л. М. Барковым и М. С. Золоторёвым, а также в экспериментах по рассеянию электронов на протонах и дейтронах в США).

Взаимодействие нейтральных токов описывается соответствующим членом в лагранжиане С. в.:

где - безразмерный параметр. В стандартной теории (эксперим. значение р совпадает с 1 в пределах одного процента эксперим. точности и точности расчёта радиационных поправок) . Полный слабый нейтральный ток содержит вклады всех лептонов и всех кварков:

Очень важным свойством нейтральных токов является то, что они диагональны, т. е. переводят лептоны (и кварки) самих в себя, а не в др. лептоны (кварки), как в случае заряженных токов. Каждый из 12 кварковых и лептонных нейтральных токов представляет собой линейную комбинацию аксиального тока с коэф. I 3 и векторного тока с коэф. , где I 3 - третья проекция т. н. слабого изотопического спина , Q - заряд частицы, а - Вайнберга угол .

Необходимость существования четырёх векторных полей промежуточных бозонов W + , W - , Z 0 и фотона А можно пояснить след. образом. Как известно, в эл--магн. взаимодействии электрич. заряд играет двойную роль: с одной стороны, он является сохраняющейся величиной, а с другой - источником эл--магн. поля, осуществляющего взаимодействие между заряженными частицами (константа взаимодействия е) . Такая роль электрич. заряда обеспечивается калибровочной , заключающейся в том, что ур-ния теории не меняются, когда волновые ф-ции заряженных частиц умножаются на произвольный фазовый множитель , зависящий от пространственно-временной точки [локальная симметрия U(1 )], и при этом эл--магн. поле, являющееся калибровочным, подвергается преобразованию . Преобразования локальной группы U(1 )с одним типом заряда и одним калибровочным полем коммутируют друг с другом (такая группа наз. абелевой). Указанное свойство электрич. заряда послужило исходным пунктом для построения теорий и др. типов взаимодействий. В этих теориях сохраняющиеся величины (напр., изотопич. спин) являются одновременно источниками нек-рых калибровочных полей, переносящих взаимодействие между частицами. В случае неск. типов «зарядов» (напр., разл. проекций изотопич. спина), когда отд. преобразования не коммутируют друг с другом (неабелева группа преобразований), оказывается необходимым введение неск. калибровочных полей. (Мультиплеты калибровочных полей, отвечающих локальным неабелевым симметриям, наз. Янга - Миллса полями .)В частности, чтобы изотопич. спин [к-рому отвечает локальная группа SU(2)] выступал в качестве константы взаимодействия, необходимы три калибровочных поля с зарядами1 и 0. Т. к. в С. в. участвуют заряженные токи пар частиц и т. д., то полагают, что эти пары являются дублетами группы слабого изоспина, т. е. группы SU(2) . Инвариантность теории относительно локальных преобразований группы SU (2) требует, как отмечалось, существования триплета безмассовых калибровочных полей W + , W - , W 0 , источником к-рых является слабый изоспин (константа взаимодействия g) . По аналогии с сильным взаимодействием, в к-ром гиперзаряд Y частицы, входящей в изотопич. мультиплет, определяется ф-лой Q = I 3 + Y/2 (где I 3 - третья проекция изоспина, a Q - электрич. заряд), наряду со слабым изоспином вводят слабый гиперзаряд. Тогда сохранению электрич. заряда и слабого изоспина отвечает сохранение слабого гиперзаряда [группа [U (1)]. Слабый гиперзаряд является источником нейтрального калибровочного поля В 0 (константа взаимодействия g") . Две взаимно ортогональные линейные суперпозиции полей В° и W° описывают поле фотона А и поле Z-бозона:

где . Именно величина угла определяет структуру нейтральных токов. Она же определяет связь между константой g , характеризующей взаимодействие-бозонов со слабым током, и константой е , характеризующей взаимодействие фотона с электрич. током:

Для того чтобы С. в. носило короткодействующий характер, промежуточные бозоны должны быть массивными, в то время как кванты исходных калибровочных полей - - безмассовые. Согласно стандартной теории, возникновение массы у промежуточных бозонов происходит при спонтанном нарушении симметрии SU(2) X U(1 )до U(1) эм . При этом одна из суперпозиций полей В 0 и W 0 - фотон (А ) остаётся безмассовой, а- и Z-бозоны приобретают массы:

Эксперим. данные по нейтральным токам давали . Этому отвечали ожидаемые массы W -и Z-бозонов соответственно и

Для обнаружения W - и Z-бозонов созданы спец. установки, в к-рых эти бозоны рождаются при столкновениях встречных пучкови высокой энергии. Первая-установка вступила в строй в 1981 в ЦЕРНе. В 1983 появились сообщения о детектировании в ЦЕРНе первых случаев рождения промежуточных векторных бозонов. В 1989 были опубликованы данные о рождении W - и Z -бозонов на американском протон-антипротонном коллайдере - Тэватроне, в Фермиевской национальной ускорительной лаборатории (FNAL). К кон. 1980-х гг. полное число W - и Z-бозонов, наблюдавшихся на протон-антипротонных коллайдерах в ЦЕРНе и FNAL, исчислялось сотнями.

В 1989 заработали электрон-позитроиные коллайдеры LEP в ЦЕРНе и SLC в Стэнфордском линейном ускорительном центре (SLAC). Особенно успешной оказалась работа LEP, где к началу 1991 было зарегистрировано более полумиллиона случаев рождения и распада Z-бозонов. Изучение распадов Z-бозонов показало, что никаких других нейтрино, кроме известных ранее , в природе не существует. С высокой точностью была измерена масса Z-бозона: т z = 91,173 0,020 ГэВ (масса W-бозона известна с существенно худшей точностью: m w = 80,220,26 ГэВ). Изучение свойств W - и Z-бозонов подтвердило правильность основной (калибровочной) идеи стандартной теории электрослабого взаимодействия. Однако для проверки теории в полном объёме необходимо также экспериментально исследовать механизм спонтанного нарушения симметрии. В рамках стандартной теории источником спонтанного нарушения симметрии является специальное изодублетное скалярное поле , обладающее специфич. самодействием, где - безразмерная константа, а константа h имеет размерность массы. Минимум энергии взаимодействия достигается при, и, т, о., низшее энергетич. состояние - вакуум - содержит ненулевое вакуумное значение поля. Если этот механизм нарушения симметрии действительно осуществляется в природе, то должны существовать элементарные скалярные бозоны - т. н. Хиггса бозон (кванты поля Хиггса). Стандартная теория предсказывает существование как минимум одного скалярного бозона (он должен быть нейтрален). В более сложных вариантах теории имеется неск. таких частиц, причём нек-рые из них - заряженные (при этом возможно). В отличие от промежуточных бозонов массы хиггсовых бозонов теорией не предсказываются.

Калибровочная теория электрослабого взаимодействия перенормируема: это означает, в частности, что амплитуды слабых и эл--магн. процессов можно вычислять по теории возмущений, причём высшие поправки малы, как в обычной квантовой (см. Перенормируемость ).(В отличие от этого четырёх-фермионная теория С. в. неперенормируема и не является внутренне непротиворечивой теорией.)

Существуют теоретич. модели Великого объединения , в к-рых как группа электрослабого взаимодействия, так и группа SU(3 )сильного взаимодействия являются подгруппами единой группы, характеризующейся единой константой калибровочного взаимодействия. В ещё более фундам. моделях эти взаимодействия объединяются с гравитационными (т. н. суперобъединение ).

Лит.: В у Ц. С., Мошковский С. А., Бета-распад, пер. с англ., М., 1970; Вайнберг С., Единые теории взаимодействия элементарных частиц, пер. с англ., «УФН», 1976, т. 118, в. 3, с. 505; Тейлор Д ж., Калибровочные теории слабых взаимодействий, пер. с англ., М., 1978; На пути к единой теории поля. Сб. ст., переводы, М., 1980; Окунь Л. Б., Лептоны и кварки, 2 изд., М., 1990. Л. Б. Окунь .

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.

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:

1. У частиц есть свойство, или что-то, присущее им, что позволяет им чувствовать (или не чувствовать) определённый тип силы
2. Другие частицы, переносящие взаимодействия, взаимодействуют с первыми
3. 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 - это одна из четырех фундаментальных сил, управляющих всей материей во Вселенной. Остальные три - сила тяжести, электромагнетизм и сильное взаимодействие. В то время как другие силы держат вещи вместе, слабая сила играет большую роль в их разрушении.

Слабое взаимодействие сильнее гравитации, но оно эффективно только на очень малых расстояниях. Сила действует на субатомном уровне и играет решающую роль в обеспечении энергией звезд и создании элементов. Она также отвечает за большую часть естественного излучения во Вселенной.

Теория Ферми

Итальянский физик Энрико Ферми в 1933 г. разработал теорию для объяснения бета-распада - процесса превращения нейтрона в протон и вытеснения электрона, который часто называют в этом контексте бета-частицей. Он определил новый тип силы, так называемое слабое взаимодействие, которое отвечало за распад, фундаментальный процесс превращения нейтрона в протон, нейтрино и электрон, который впоследствии был определен как антинейтрино.

Ферми первоначально предполагал, что имело место нулевое расстояние и сцепление. Две частицы должны были соприкасаться, чтобы сила работала. С тех пор выяснилось, что слабое взаимодействие на самом деле является которая проявляется на чрезвычайно коротком расстоянии, равном 0,1% диаметра протона.

Электрослабая сила

Первым этапом в слиянии водорода является столкновение двух протонов с достаточной силой, чтобы преодолеть взаимное отталкивание, испытываемое ими из-за их электромагнитного взаимодействия.

Если обе частицы расположить близко друг к другу, сильное взаимодействие может связывать их. Это создает нестабильную форму гелия (2 He), который имеет ядро ​​с двумя протонами, в отличие от устойчивой формы (4 Не), которая имеет два нейтрона и два протона.

На следующем этапе в игру вступает слабое взаимодействие. Из-за переизбытка протонов один из них претерпевает бета-распад. После этого, другие реакции, включая промежуточное образование и слияние 3 Не, в конечном счете, образуют стабильный 4 Не.