Слабое взаимодействие

Радиоактивный бета-распад происходит из-за слабого взаимодействия, которое превращает нейтрон в протон, электрон и электронное антинейтрино .

В ядерной физике и физике элементарных частиц слабое взаимодействие , также называемое слабым взаимодействием , является одним из четырех известных фундаментальных взаимодействий , наряду с электромагнетизмом , сильным взаимодействием и гравитацией . Именно механизм взаимодействия между субатомными частицами отвечает за радиоактивный распад атомов: слабое взаимодействие участвует в ядерном делении и ядерном синтезе . Теорию, описывающую его поведение и эффекты, иногда называют квантовой динамикой вкуса ( QFD ); однако термин QFD используется редко, поскольку слабое взаимодействие лучше понимается с помощью электрослабой теории (EWT).

Эффективный диапазон слабого взаимодействия ограничен субатомными расстояниями и меньше диаметра протона.

Предыстория

Стандартная модель физики элементарных частиц обеспечивает единую основу для понимания электромагнитных, слабых и сильных взаимодействий. Взаимодействие происходит, когда две частицы (обычно, но не обязательно, с полуцелым спином фермионы с целым спином, несущими силу ) обмениваются бозонами . Фермионы, участвующие в таких обменах, могут быть как элементарными (например, электроны или кварки ), так и составными (например, протоны или нейтроны ), хотя на самых глубоких уровнях все слабые взаимодействия в конечном итоге происходят между элементарными частицами .

При слабом взаимодействии фермионы могут обмениваться тремя типами носителей силы, а именно W ⁺ , В ⁻ и Z- бозоны . Массы . этих бозонов намного превышают массу протона или нейтрона, что согласуется с коротким радиусом действия слабого взаимодействия Фактически, сила называется слабой, потому что напряженность ее поля на любом заданном расстоянии обычно на несколько порядков меньше, чем у электромагнитного взаимодействия, которое само по себе на несколько порядков меньше, чем сильное ядерное взаимодействие.

Слабое взаимодействие — единственное фундаментальное взаимодействие, которое нарушает симметрию четности , и аналогично, но гораздо реже, единственное взаимодействие, нарушающее симметрию заряда и четности .

Кварки , из которых состоят составные частицы, такие как нейтроны и протоны, бывают шести «ароматов» – верхний, нижний, очаровательный, странный, верхний и нижний – которые придают этим составным частицам их свойства. Слабое взаимодействие уникально тем, что позволяет кваркам менять свой аромат на другой. Смена этих свойств осуществляется бозонами-носителями силы. Например, во время бета-минус-распада нижний кварк внутри нейтрона превращается в верхний кварк, превращая таким образом нейтрон в протон и приводя к испусканию электрона и электронного антинейтрино.

Слабое взаимодействие важно при синтезе водорода в гелий в звезде. Это связано с тем, что он может превращать протон (водород) в нейтрон с образованием дейтерия, который важен для продолжения ядерного синтеза с образованием гелия. Накопление нейтронов облегчает накопление тяжелых ядер в звезде.

Большинство фермионов со временем распадаются в результате слабого взаимодействия. Такой распад делает возможным радиоуглеродное датирование , поскольку углерод-14 распадается в результате слабого взаимодействия с азотом-14 . Он также может создавать радиолюминесценцию , обычно используемую в тритиевой люминесценции и в смежных областях бетавольтаики. (но не подобная радиевой люминесценции ).

Считается, что электрослабое взаимодействие разделилось на электромагнитное и слабое взаимодействия в кварковую эпоху ранней Вселенной .

История

В 1933 году Энрико Ферми предложил первую теорию слабого взаимодействия, известную как взаимодействие Ферми . Он предположил, что бета-распад можно объяснить четырехфермионным взаимодействием , включающим контактную силу без радиуса действия.

В середине 1950-х годов Чэнь-Нин Ян и Цунг-Дао Ли впервые предположили, что направленность спинов частиц в слабом взаимодействии может нарушать закон сохранения или симметрию. В 1957 году Чиен Шиунг Ву и сотрудники подтвердили нарушение симметрии .

В 1960-х годах Шелдон Глэшоу , Абдус Салам и Стивен Вайнберг объединили электромагнитное взаимодействие и слабое взаимодействие, показав, что они являются двумя аспектами одной силы, теперь называемой электрослабой силой.

Существование W- бозонов и Z- не было напрямую подтверждено до 1983 года.

Свойства

Диаграмма, изображающая пути распада из-за заряженного слабого взаимодействия и некоторые указания на их вероятность. Интенсивность линий задается параметрами CKM .

Электрически заряженное слабое взаимодействие уникально во многих отношениях:

• Это единственное взаимодействие, которое может изменить аромат кварков и лептонов (т. е. превратить один тип кварков в другой).
• Это единственное взаимодействие, которое нарушает P или симметрию четности . Кроме того, он единственный, который нарушает заряда и четности CP - симметрию .
• Как электрически заряженные, так и электрически нейтральные взаимодействия опосредуются (распространяются) частицами-носителями силы , имеющими значительные массы, - необычная особенность, которая объясняется в Стандартной модели механизмом Хиггса .

Из-за большой массы (около 90 ГэВ/ c ² ) эти частицы-носители, называемые W- и Z- бозонами, недолговечны, их время жизни составляет менее 10 ⁻²⁴ секунды. Слабое взаимодействие имеет константу связи (показатель того, как часто происходят взаимодействия) между 10 ⁻⁷ и 10 ⁻⁶ , по сравнению с константой электромагнитной связи около 10 ⁻² и константа сильного взаимодействия около 1; следовательно, слабое взаимодействие является «слабым» по интенсивности. Слабое взаимодействие имеет очень короткий эффективный радиус действия (около 10 ⁻¹⁷ до 10 ⁻¹⁶ м (от 0,01 до 0,1 фм)). На расстоянии около 10 ⁻¹⁸ метров (0,001 фм), слабое взаимодействие имеет интенсивность, аналогичную электромагнитной силе, но она начинает экспоненциально уменьшаться с увеличением расстояния. Увеличено всего на полтора порядка, на расстояниях около 3 × 10. ⁻¹⁷ м слабое взаимодействие становится в 10 000 раз слабее.

Слабое взаимодействие затрагивает все фермионы Стандартной модели , а также бозон Хиггса ; нейтрино взаимодействуют только посредством гравитации и слабого взаимодействия. Слабое взаимодействие не создает связанных состояний и не требует энергии связи – то же, что гравитация делает в астрономическом масштабе , электромагнитное взаимодействие делает на молекулярном и атомном уровнях, а сильное ядерное взаимодействие делает только на субатомном уровне, внутри ядра .

Его наиболее заметный эффект обусловлен его первой уникальной особенностью: заряженное слабое взаимодействие вызывает изменение вкуса . Например, нейтрон тяжелее протона (его партнера -нуклона ) и может распасться на протон, изменив аромат (тип) одного из двух своих нижних кварков на верхний кварк. Ни сильное взаимодействие, ни электромагнетизм не допускают изменения аромата, поэтому это может происходить только за счет слабого распада ; без слабого распада такие свойства кварков, как странность и очарование (связанные со странным кварком и очаровательным кварком соответственно), также сохранялись бы при всех взаимодействиях.

Все мезоны нестабильны из-за слабого распада. В процессе, известном как бета-распад , нижний кварк нейтрона кварк , может превратиться в верхний испуская виртуальный кварк.
В ⁻
бозон, который затем распадается на электрон и электронное антинейтрино . Другим примером является захват электрона – распространенный вариант радиоактивного распада – при котором протон и электрон внутри атома взаимодействуют и превращаются в нейтрон (верхний кварк меняется на нижний кварк), и испускается электронное нейтрино.

Из-за больших масс W-бозонов трансформации или распады частиц (например, изменение аромата), которые зависят от слабого взаимодействия, обычно происходят гораздо медленнее, чем преобразования или распады, которые зависят только от сильных или электромагнитных сил. Например, нейтральный пион распадается электромагнитно, поэтому его жизнь составляет всего около 10 лет. ⁻¹⁶ секунды. Напротив, заряженный пион может распадаться только за счет слабого взаимодействия и поэтому живет около 10 ⁻⁸ секунд, или в сто миллионов раз дольше, чем нейтральный пион. Особенно крайним примером является слабый распад свободного нейтрона, который занимает около 15 минут.

изоспин и

Основная статья: Слабый изоспин

Левые фермионы в Стандартной модели.

Поколение 1			Поколение 2			Поколение 3
Фермион	Символ	Слабый изоспин	Фермион	Символ	Слабый изоспин	Фермион	Символ	Слабый изоспин
Электронное нейтрино	н Это	+ + 1 / 2	Мюонное нейтрино	н м	+ + 1 / 2	Тау нейтрино	н т	+ + 1 / 2
Электрон	Это −	− + 1 / 2	Мюон	м −	− + 1 / 2	Да	т −	− + 1 / 2
Верхний кварк	в	+ + 1 / 2	Очаровательный кварк	с	+ + 1 / 2	Топ-кварк	т	+ + 1 / 2
Нижний кварк	д	− + 1 / 2	Странный кварк	с	− + 1 / 2	Нижний кварк	б	− + 1 / 2
Все вышеперечисленные левые ( регулярные ) частицы имеют соответствующие правые античастицы с равным и противоположным слабым изоспином.
Все правые (регулярные) частицы и левые античастицы имеют слабый изоспин, равный 0.

Все частицы обладают свойством, называемым слабым изоспином (обозначение Т ₃ ), которое служит аддитивным квантовым числом , ограничивающим то, как частица может взаимодействовать с
В ^±
слабой силы. Такую же роль в слабом взаимодействии с
В ^±
как электрический заряд в электромагнетизме и цветной заряд в сильном взаимодействии ; другое число с похожим названием, слабый заряд , обсуждаемое ниже , используется для взаимодействия с
С ⁰
. Все левые фермионы имеют слабое значение изоспина либо + + 1 / 2 или − + 1 / 2 ; все правые фермионы имеют 0 изоспина. Например, у ап-кварка T ₃ = + + 1/2 имеет кварк и даун- T ₃ = − + 1 / 2 . Кварк никогда не распадается в результате слабого взаимодействия на кварк с тем же T ₃ : Кварки T ₃ с + + 1 / 2 распадаются только на кварки T ₃ с − + 1/2 и наоборот .

Пи ⁺
распад за счет слабого взаимодействия

В любом сильном, электромагнитном или слабом взаимодействии сохраняется слабый изоспин : Сумма чисел слабых изоспинов частиц, вступающих во взаимодействие, равна сумме чисел слабых изоспинов частиц, выходящих из этого взаимодействия. Например, (левша)
Пи ⁺
, со слабым изоспином +1 обычно распадается на
н
_µ (при Т ₃ = + + 1/2 ) и а
м ⁺
(как правая античастица, + + 1 / 2 ).

Для развития электрослабой теории было изобретено еще одно свойство — слабый гиперзаряд , определяемое как

$Y_{\text{W}}=2\,(Q-T_{3}),$

где Y _W – слабый гиперзаряд частицы с электрическим зарядом Q (в элементарных единицах заряда) и слабым изоспином T ₃ . Слабый гиперзаряд является генератором U(1)-компоненты электрослабой калибровочной группы ; тогда как некоторые частицы имеют слабый нулевой изоспин, все известные спин- 1/2 ненулевой частицы имеют слабый гиперзаряд.

Типы взаимодействия

Существует два типа слабого взаимодействия (называемые вершинами ). Первый тип называется « взаимодействием заряженного тока », поскольку слабо взаимодействующие фермионы образуют ток с полным электрическим зарядом, отличным от нуля. Второй тип называется « взаимодействием нейтрального тока », поскольку слабо взаимодействующие фермионы образуют ток с полным электрическим нулевым зарядом. Он отвечает за (редкое) отклонение нейтрино . Два типа взаимодействия подчиняются разным правилам выбора . Это соглашение об именах часто неправильно понимается как обозначение электрического заряда бозонов и Z , W однако соглашение об именах предшествует концепции бозонов-посредников и четко (по крайней мере, по названию) обозначает заряд тока (образованный из фермионов). , не обязательно бозоны.

заряженного

Основная статья: Заряженный ток

Диаграмма Фейнмана бета-минус-распада нейтрона ( n = udd ) на протон ( p = udu ), электрон ( e ⁻ ) и электронное антинейтрино ν _e через заряженный векторный бозон (
В ⁻
).

В одном типе взаимодействия заряженного тока заряженный лептон (например, электрон или мюон , имеющий заряд -1) может поглотить
В ⁺
бозон (частица с зарядом +1) и тем самым превратиться в соответствующее нейтрино (с зарядом 0), где тип («аромат») нейтрино (электрон ν _e , мюон ν _μ или тау ν _τ ) совпадает с типом лептона во взаимодействии, например:

$\mu ^{-}+\mathrm {W} ^{+}\to \nu _{\mu }$

нижнего типа Аналогично, кварк ( d , s или b ) с зарядом − + 1/3 ) u может быть преобразован в кварк up-типа ( , c или t , с зарядом + + 2 / 3 ), испуская
В ⁻
бозона или путем поглощения
В ⁺
бозон. Точнее, кварк нижнего типа становится квантовой суперпозицией кварков верхнего типа: то есть у него есть возможность стать любым из трех кварков верхнего типа с вероятностью, указанной в матричных таблицах CKM . И наоборот, кварк up-типа может излучать
В ⁺
бозон или поглотить
В ⁻
бозон и тем самым превратиться в кварк нижнего типа, например:

${\begin{aligned}\mathrm {d} &\to \mathrm {u} +\mathrm {W} ^{-}\\\mathrm {d} +\mathrm {W} ^{+}&\to \mathrm {u} \\\mathrm {c} &\to \mathrm {s} +\mathrm {W} ^{+}\\\mathrm {c} +\mathrm {W} ^{-}&\to \mathrm {s} \end{aligned}}$

W-бозон нестабилен, поэтому быстро распадается с очень коротким временем жизни. Например:

${\begin{aligned}\mathrm {W} ^{-}&\to \mathrm {e} ^{-}+{\bar {\nu }}_{\mathrm {e} }~\\\mathrm {W} ^{+}&\to \mathrm {e} ^{+}+\nu _{\mathrm {e} }~\end{aligned}}$

Распад W-бозона на другие продукты может происходить с различной вероятностью.

При так называемом бета-распаде нейтрона (см. рисунок выше) даун-кварк внутри нейтрона испускает виртуальный
В ⁻
бозон и таким образом превращается в ап-кварк, превращая нейтрон в протон. Из-за ограниченной энергии, вовлеченной в процесс (т.е. разницы масс между нижним и верхним кварками), виртуальный
В ⁻
Бозон может нести энергию, достаточную только для того, чтобы произвести электрон и электрон-антинейтрино — две наименьшие возможные массы среди возможных продуктов его распада. На кварковом уровне процесс можно представить как:

$\mathrm {d} \to \mathrm {u} +\mathrm {e} ^{-}+{\bar {\nu }}_{\mathrm {e} }~$

Взаимодействие нейтрального тока

Основная статья: Нейтральный ток

При нейтрального тока взаимодействиях кварк или лептон (например, электрон или мюон ) испускает или поглощает нейтральный Z -бозон . Например:

$\mathrm {e} ^{-}\to \mathrm {e} ^{-}+\mathrm {Z} ^{0}$

Как
В ^±
бозоны,
С ⁰
бозон также быстро распадается, например:

$\mathrm {Z} ^{0}\to \mathrm {b} +{\bar {\mathrm {b} }}$

В отличие от взаимодействия с заряженным током, правила выбора которого строго ограничены киральностью, электрическим зарядом и/или слабым изоспином, взаимодействие с нейтральным током
С ⁰
Взаимодействие может привести к отклонению любых двух фермионов в стандартной модели: либо частиц, либо античастиц, с любым электрическим зарядом, как с левой, так и с правой киральностью, хотя сила взаимодействия различается.

Квантовое число слабого заряда ( Q _W ) выполняет ту же роль при взаимодействии нейтрального тока с
С ⁰
электрический заряд ( Q , без индекса) действует в электромагнитном взаимодействии : он количественно определяет векторную часть взаимодействия. Его значение определяется:

$Q_{\mathsf {w}}=2\,T_{3}-4\,Q\,\sin ^{2}\theta _{\mathsf {w}}=2\,T_{3}-Q+(1-4\,\sin ^{2}\theta _{\mathsf {w}})\,Q~.$

Поскольку слабый угол смешивания $\theta _{\mathsf {w}}\approx 29^{\circ }$, выражение в скобках $(1-4\,\sin ^{2}\theta _{\mathsf {w}})\approx 0.060$, причем его значение незначительно меняется в зависимости от разницы импульсов (называемой « бегом ») между участвующими частицами. Следовательно

$\ Q_{\mathsf {w}}\approx 2\ T_{3}-Q=\operatorname {sgn}(Q)\ {\big (}1-|Q|{\big )}\ ,$

поскольку по соглашению $\operatorname {sgn} T_{3}\equiv \operatorname {sgn} Q$, и для всех фермионов, участвующих в слабом взаимодействии $T_{3}=\pm {\tfrac {1}{2}}$. Слабый заряд заряженных лептонов тогда близок к нулю, поэтому они в основном взаимодействуют с Z- бозоном через аксиальную связь.

Электрослабая теория

Основная статья: Электрослабое взаимодействие

Стандартная модель физики элементарных частиц описывает электромагнитное взаимодействие и слабое взаимодействие как два разных аспекта одного электрослабого взаимодействия. Эта теория была разработана примерно в 1968 году Шелдоном Глэшоу , Абдусом Саламом и Стивеном Вайнбергом , и за свою работу они были удостоены Нобелевской премии по физике 1979 года . Механизм Хиггса объясняет наличие трех массивных калибровочных бозонов (
В ⁺
,
В ⁻
,
С ⁰
, три носителя слабого взаимодействия) и фотон ( γ , безмассовый калибровочный бозон, несущий электромагнитное взаимодействие).

Согласно электрослабой теории, при очень высоких энергиях Вселенная имеет четыре компонента поля Хиггса , взаимодействие которых осуществляется четырьмя безмассовыми калибровочными бозонами , каждый из которых подобен фотону , образуя сложный скалярный дублет поля Хиггса. Аналогично, существует четыре безмассовых электрослабых бозона. Однако при низких энергиях эта калибровочная симметрия спонтанно нарушается до U(1) -симметрии электромагнетизма, поскольку одно из полей Хиггса приобретает вакуумное математическое ожидание . Наивно можно было бы ожидать, что нарушение симметрии приведет к образованию трех безмассовых бозонов , но вместо этого эти «лишние» три бозона Хиггса включаются в три слабых бозона, которые затем приобретают массу посредством механизма Хиггса . Эти три составных бозона являются
В ⁺
,
В ⁻
, и
С ⁰
бозоны, действительно наблюдаемые в слабом взаимодействии. Четвертый электрослабый калибровочный бозон — это фотон ( γ ) электромагнетизма, который не взаимодействует ни с одним из полей Хиггса и поэтому остается безмассовым.

Эта теория сделала ряд предсказаний, в том числе предсказание масс
С
и
В
бозонов до их открытия и обнаружения в 1983 году.

4 июля 2012 года экспериментальные группы CMS и ATLAS на Большом адронном коллайдере независимо друг от друга объявили, что они подтвердили официальное открытие ранее неизвестного бозона с массой от 125 до 127 ГэВ/ с. ² , поведение которого до сих пор «соответствовало» бозону Хиггса, добавив при этом осторожное замечание, что необходимы дополнительные данные и анализ, прежде чем однозначно идентифицировать новый бозон как бозон Хиггса того или иного типа. К 14 марта 2013 года было предварительно подтверждено существование бозона Хиггса.

В спекулятивном случае, когда нарушения электрослабой симметрии масштаб был понижен, ненарушенное взаимодействие SU (2) в конечном итоге стало бы ограничивающим . Альтернативные модели, в которых SU (2) становится ограничивающим выше этого масштаба, кажутся количественно похожими на Стандартную модель при более низких энергиях, но резко отличаются от нарушений симметрии.

Нарушение симметрии

Левые и правые частицы : p — импульс частицы, а S — ее спин . Обратите внимание на отсутствие отражательной симметрии между состояниями.

Долгое время считалось, что законы природы остаются неизменными даже при зеркальном отражении . Ожидалось, что результаты эксперимента, наблюдаемого через зеркало, будут идентичны результатам отдельно сконструированной зеркально отраженной копии экспериментального аппарата, наблюдаемой через зеркало. Известно , что этот так называемый закон четности сохранения соблюдался классической гравитацией , электромагнетизмом и сильным взаимодействием ; предполагалось, что это универсальный закон. Однако в середине 1950-х годов Чэнь-Нин Ян и Цунг-Дао Ли предположили, что слабое взаимодействие может нарушать этот закон. Чиен Шиунг Ву и его коллеги в 1957 году обнаружили, что слабое взаимодействие нарушает четность, что принесло Янгу и Ли Нобелевскую премию по физике 1957 года .

Хотя слабое взаимодействие когда-то было описано теорией Ферми , открытие нарушения четности и теории перенормировки предположили, что необходим новый подход. В 1957 году Роберт Маршак и Джордж Сударшан , а несколько позже Ричард Фейнман и Мюррей Гелл-Манн предложили V - A ( вектор минус аксиальный вектор или левый) лагранжиан для слабых взаимодействий. В этой теории слабое взаимодействие действует только на левые частицы (и правые античастицы). Поскольку зеркальное отражение левой частицы является правым, этим объясняется максимальное нарушение четности. Теория V − A была разработана до открытия Z-бозона, поэтому она не включала правые поля, вступающие в взаимодействие нейтрального тока.

Однако эта теория позволила CP сохранить сложной симметрии. CP сочетает в себе четность P (переключение слева направо) с зарядовым сопряжением C (переключение частиц на античастицы). Физики снова были удивлены, когда в 1964 году Джеймс Кронин и Вэл Фитч четкие доказательства представили в распадах каонов того, что CP- симметрия тоже может быть нарушена, что принесло им Нобелевскую премию по физике 1980 года . В 1973 году Макото Кобаяши и Тошихидэ Маскава показали, что нарушение CP в слабом взаимодействии требует более двух поколений частиц, эффективно предсказывая существование тогда еще неизвестного третьего поколения. Это открытие принесло им половину Нобелевской премии по физике 2008 года.

В отличие от нарушения четности, нарушение CP происходит лишь в редких случаях. гораздо больше материи, чем антиматерии Несмотря на его ограниченное распространение в нынешних условиях, широко распространено мнение, что оно является причиной того, что во Вселенной , предложенных Андреем Сахаровым , и, таким образом, образует одно из трех условий бариогенеза .

См. также

• Бесслабая вселенная - постулат о том, что слабые взаимодействия не являются антропологически необходимыми.
• Сила тяжести
• Сильное взаимодействие
• Электромагнетизм

Источники

Технический

• Грейнер, В .; Мюллер, Б. (2000). Калибровочная теория слабых взаимодействий . Спрингер. ISBN  3-540-67672-4 .
• Кофлан, Джорджия; Додд, Дж. Э.; Грипайос, Б.М. (2006). Идеи физики элементарных частиц: введение для ученых (3-е изд.). Издательство Кембриджского университета. ISBN  978-0-521-67775-2 .
• Коттингем, Западная Нью-Йорк; Гринвуд, Д.А. (2001) [1986]. Введение в ядерную физику (2-е изд.). Издательство Кембриджского университета. п. 30. ISBN  978-0-521-65733-4 .
• Гриффитс, диджей (1987). Введение в элементарные частицы . Джон Уайли и сыновья. ISBN  0-471-60386-4 .

• Кейн, GL (1987). Современная физика элементарных частиц . Книги Персея . ISBN  0-201-11749-5 .
• Перкинс, Д.Х. (2000). Введение в физику высоких энергий . Издательство Кембриджского университета. ISBN  0-521-62196-8 .

Для обычных читателей

• Ортер, Р. (2006). Теория почти всего: Стандартная модель, невоспетый триумф современной физики . Плюм . ISBN  978-0-13-236678-6 .
• Шумм, бакалавр наук (2004). Deep Down Things: захватывающая дух красота физики элементарных частиц . Издательство Университета Джонса Хопкинса . ISBN  0-8018-7971-Х .

Внешние ссылки

• Гарри Чунг, Слабая сила @ Fermilab
• Фундаментальные силы @ Гиперфизика , Университет штата Джорджия.
• Брайан Коберлейн , Что такое слабая сила?