Слабка взаємодія

Відео: Стандартна модель і нова фізика (розповідає фізик Михайло Данилов)

Фейнманівська діаграма бета-розпаду нейтрона на протон, електрон і електронне антинейтрино через проміжний W -бозон слабка взаємодія - одна з чотирьох фундаментальних фізичних взаємодій між елементарними частинками поряд з гравітаційним, електромагнітним і сильним. Найбільш відомим її проявом є бета-розпад і пов`язана з ним радіоактивність. взаємодія названа слабкою, оскільки напруженість відповідного їй поля в 10 13 менше, ніж в полів, що утримують разом ядерні частинки (нуклони і кварки) і в 10 10 менше за кулоновское на цих масштабах, проте значно сильніше ніж гравітаційна. Взаємодія має короткий радіус дії і проявляється лише на відстанях порядку розміру атомного ядра.
Першу теорію слабкої взаємодії запропонував Енріко Фермі в 1930. При розробці теорії він використовував гіпотезу Вольфганга Паулі про існування нової в той час елементарної частинки нейтрино.
Слабка взаємодія описує ті процеси ядерної фізики і фізики елементарних частинок, які відбуваються відносно повільно, навпаки швидким процесам, обумовленим сильним взаємодією. Наприклад, період напіврозпаду нейтрона становить приблизно 16 хв. - Вічність в порівнянні з ядерними процесами, для яких характерний час складає 10 -23 с.
Для порівняння заряджені піони? ± розпадаються через слабку взаємодію і мають час життя 2.6033 ± 0.0005 x 10 -8 c, тоді як нейтральний півонія? 0 розпадається на два гамма-кванта через електромагнітну взаємодію і має час життя 8.4 ± 0.6 x 10 -17 c.
Інша характеристика взаємодії - довжина вільного пробігу частинок в речовині. Частинки, які взаємодіють через електромагнітне взаємодія - заряджені частинки, гамма-кванти, можна затримати залізною плитою товщиною в кілька Десятні сантиметрів. Тоді як нейтрино, що взаємодіє лише слабо, проходить, не зіткнувшись ні разу, через шар металу товщиною мільярд кілометрів.
У слабкій взаємодії беруть участь кварки і лептони, включаючи нейтрино. При цьому змінюється аромат частинок, тобто їх тип. Наприклад, в результаті розпаду нейтрона один з його d-кварків перетворюється в u-кварк. Нейтрино унікальні тим, що взаємодіють з іншими частинками тільки через слабку, і ще слабку гравітаційною взаємодією.
За сучасними уявленнями, сформульованими в Стандартної моделі, слабка взаємодія переноситься калібрувальні W-і Z-бозона, які були виявлені на прискорювачах в 1982. Їх маси складають 80 і 90 мас протона. Обмін віртуальними W-бозона називають зарядженим струмом, обмін Z-бозона - нейтральним струмом.
Вершини діаграм Фейнмана, що описують можливі процеси за участю калібрувальних W-і Z-бозонів можна розділити на три типи:



лептон може віпромініти або поглинути W-бозон, і перетворитися в нейтріно-
кварк може віпромініти або поглинути W-бозон, і змінити свій аромат, перетворившись в суперпозицію інших кварков-
лептон або кварк може поглинути або віпромініти Z-бозон

Здатність частинки до слабкої взаємодії описується квантовим числом, що називається слабкий ізоспін. Можливі значення ізоспіном для частинок, які можуть обмінюватися W і Z бозона ± 1 / 2. Саме ці частинки взаємодіють через слабку взаємодію. Чи не взаємодіють через слабку взаемоідію частки з нульовим слабким ізоспіном, для яких процеси обміну W і Z бозона неможливі. Слабкий ізоспін зберігається в реакціях між елементарними частинками. Це означає, що сумарний слабкий ізоспін всіх частинок, що беруть участь в реакції, залишається незмінним, хоча типи частинок можуть при цьому змінюватися.


Особливістю слабкої взаємодії є те, що вона порушує парність, оскільки здатність до слабкої взаємодії через заряджені струми мають тільки ферміони з лівої хіральність і античастинки ферміонів з правого хіральність. Незбереження парності в слабкій взаємодії відкрили Янг Чженьнін і Лі Цзундао, за що отримали Нобелівську премію з фізики за 1957 рік. Причину незбереження парності бачать в спонтанному порушенні симетрії. В рамках Стандартної моделі за порушення симетрії відповідає гіпотетична частинка - бозон Хіггса. Це єдина частинка звичайна моделі, яка ще не була виявлена експериментально.
При слабкій взаємодії порушується також CP симетрія. Це порушення було виявлено експериментально в 1964 році в експериментах з каона. Автори відкриття Джеймс Кронін і Вал Фітч нагороджені Нобелівською премією за 1980. Незбереження CP-симетрії відбувається набагато рідше, ніж порушення парності. Воно означає також, оскільки збереження CPT-симетрія спирається на фундаментральні фізичні принципи - перетворення Лоренца і близкодействия, можливість порушення T-симетрії, тобто неінваріантність фізичних процесів по зміні напрямку часу.



У 1969 була побудована єдина теорія електромагнітного і слабкої ядерної взаємодії, згідно з якою при енергіях порад 100 ГеВ, що відповідає температури 10 15 К різниця між електромагнітними і слабкими процесами зникає. Експериментальна перевірка єдиної теорії електрослабкої і сильної ядерної взаємодії вимагає збільшення енергії прискорювачів в сто мільярдів разів.
Теорія електрослабкої взаємодії побудована на основі групи симетрії SU (2).
Незважаючи на малу величину і короткодію, слабка взаємодія виконує дуже важливу роль в природі. Якби вдалося «вимкнути» слабку взаємодію, то Сонце згасло б, оскільки стало б неможливим процес перетворення протона в нейтрон, позитрон і нейтрино, в результаті якого 4 протона перетворюються в 4 He два позитрони і два нейтрино. Цей процес є основним джерелом енергії для Сонця і більшості зірок (див. Водневий цикл). Процеси слабкої взаємодії важливі для еволюції зірок, оскільки вони обумовлюють втрати енергії дуже гарячих зірок у вибухах наднових з утворенням пульсарів і т.д. Якби не було слабкої взаємодії в природі були б стабільні і широко поширені в звичайній речовині мюони, пі-мезони і інші частинки. Настільки важлива роль слабкої взаємодії повязна з тим, що вона не підкоряється ряду заборон, характерних для сильного і елетромагнітноі взаємодій. Зокрема, слабка взаємодія перетворює заряджені лептони в нейтрино, а кварки одного аромату - в кварки інше.

Увага, тільки СЬОГОДНІ!