Слабка взаємодія — Вікіпедія

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[ред. | ред. код]

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-го року 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[ред. | ред. код]

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 π^±
розпадаються через слабку взаємодію і мають час життя 2.6033 ± 0.0005 × 10⁻⁸ c, тоді як нейтральний піон π⁰
розпадається на два гамма-кванти через електромагнітну взаємодію і має час життя 8.4 ± 0.6 × 10⁻¹⁷ 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[ред. | ред. код]

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

Кварки[ред. | ред. код]

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[ред. | ред. код]

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[ред. | ред. код]

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[ред. | ред. код]

Чотириферміонна взаємодія[ред. | ред. код]

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]

${\displaystyle \sigma ={\frac {G_{F}s}{\pi }}}$

де G_f — константа Фермі, що дорівнює приблизно 10⁻⁵M_p², 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[ред. | ред. код]

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:

${\displaystyle Z=\cos \theta _{W}W_{3}-\sin \theta _{W}B}$, де ${\displaystyle \theta _{W}}$ — кут Вайнберга.

Безмасовий нейтральний бозон:

${\displaystyle A=\sin \theta _{W}W_{3}+\cos \theta _{W}B}$, цей бозон є фотоном.

Масивні заряджені бозони:

${\displaystyle W^{\pm }={\frac {1}{\sqrt {2}}}\left(W_{1}\mp iW_{2}\right)}$.

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[ред. | ред. код]

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[ред. | ред. код]

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[ред. | ред. код]

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, ${\displaystyle n\rightarrow p+e^{-}+{\bar {\nu }}_{e}}$.

Нейтральний слабкий струм[ред. | ред. код]

Нейтральний 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 нейтрино 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 нейтрино на електроні або іншій частинці.

Закони збереження і слабка взаємодія[ред. | ред. код]

Закони збереження, що порушуються[ред. | ред. код]

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[ред. | ред. код]

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. Імовірності цих перетворень описуються СКМ-матрицею. Ця залежність виражається наступним чином:

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

Наразі^[коли?] емпірично виміряні коофіцієнти цієї матриці дорівнюють:

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

Парність[ред. | ред. код]

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[ред. | ред. код]

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[ред. | ред. код]

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[ред. | ред. код]

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[ред. | ред. код]

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

Радіоактивність[ред. | ред. код]

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[ред. | ред. код]

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[ред. | ред. код]

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 нейтрино, 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[ред. | ред. код]

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[ред. | ред. код]

У 1987 році під час експериментів у Фермілабі 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.

Див. також[ред. | ред. код]

• Електрослабкий масштаб

Примітки[ред. | ред. код]

Джерела[ред. | ред. код]

• Каденко І. М., Плюйко В. А. Фізика атомного ядра та частинок. — К. : ВПЦ "Київський університет", 2008. — 414 с.
• Физическая энциклопедия / Под ред. А. М. Прохорова. — М. : Большая российская энциклопедия, 1994. — Т. 4. — 704 с.
• Гротц К., Клапдор-Клайнгротхаус Г.В. Слабое взаимодействие в физике ядра, частиц и астрофизике. — М. : Мир, 1992. — 456 с.
• Фрауэнфельдер Г., Хенли Э. Субатомная физика. — М. : Мир, 1979. — 736 с.
• Широков Ю. М., Юдин Н. П. Ядерная физика. — М. : Наука, 1980. — 748 с.
• Bromley D. A. Gauge Theory of Weak Interactions. — Springer, 2000. — ISBN 3-540-67672-4.