Нейтральный ток

Взаимодействия со слабыми нейтральными токами являются одним из способов взаимодействия субатомных частиц посредством слабого взаимодействия . Эти взаимодействия опосредованы Z-бозоном . Открытие слабых нейтральных токов было значительным шагом на пути к объединению электромагнетизма и слабого взаимодействия в электрослабое взаимодействие и привело к открытию W- и Z-бозонов .

Проще говоря

Слабое взаимодействие наиболее известно своей ролью в ядерном распаде. У него очень малый радиус действия, но (помимо гравитации) это единственная сила, взаимодействующая с нейтрино . Как и другие субатомные взаимодействия, слабое взаимодействие осуществляется через обменные частицы. Возможно, самой известной из обменных частиц для слабого взаимодействия является частица W , которая участвует в бета-распаде . Частицы W имеют электрический заряд – существуют как положительные, так и отрицательные частицы W – однако Z-бозон также является обменной частицей для слабого взаимодействия, но не имеет никакого электрического заряда.

Обмен Z-бозона передает импульс , спин и энергию , но оставляет неизменными квантовые числа взаимодействующих частиц – заряд, аромат , барионное число , лептонное число и т. д. Поскольку при этом не происходит передачи электрического заряда, обмен Z-частицами происходит называется «нейтральным» во фразе «нейтральный ток». Однако слово «ток» здесь не имеет ничего общего с электричеством – оно просто относится к обмену частицей Z. ^[1]

Взаимодействие нейтрального тока Z-бозона определяется производным квантовым числом, называемым слабым зарядом , которое действует аналогично слабому изоспину для взаимодействий с W-бозонами.

Определение

Нейтральный ток, давший название взаимодействию, — это ток взаимодействующих частиц.

Например, вклад нейтрального тока в $н и и -$ → $н и и -$ амплитуда упругого рассеяния равна

{\mathfrak {M}}^{\mathsf {NC}}~\propto ~J_{\mu }^{\mathsf {(NC)}}(\nu _{\mathrm {e} })\;J^{{\mathsf {(NC)}}\ \mu }(\mathrm {e^{-}} )\ ,

где нейтральные токи, описывающие поток нейтрино и электрона, имеют вид: ^[2]

J^{{\mathsf {(NC)}}\ \mu }(f)={\bar {u}}_{f}\ \gamma ^{\mu }\ {\frac {1}{2}}\left(g_{\mathsf {V}}^{f}-g_{\mathsf {A}}^{f}\ \gamma ^{5}\right)\ u_{f}\ ,

где: ^[2]

g_{\mathsf {V}}^{f}=T_{3}(f)-2\sin ^{2}\theta _{\mathsf {W}}\ Q(f)={\frac {1}{2}}\ Q_{\mathsf {W}}(f)

и $\ g_{\mathsf {A}}^{f}=T_{3}(f)\$ векторная и аксиальная связи для фермионов $\ f~.$ $\ T_{3}\$ обозначает слабый изоспин фермионов, $Q —$ их электрический заряд и $\ Q_{\mathsf {W}}\$ их слабый заряд . Эти связи по существу являются левокиральными для нейтрино и аксиальными для заряженных лептонов .

Z-бозон может связываться с любой частицей Стандартной модели, за исключением глюонов и фотонов ( стерильные нейтрино также были бы исключением, если бы их существование было обнаружено). Однако любое взаимодействие между двумя заряженными частицами, которое может происходить посредством обмена виртуальным Z-бозоном, также может происходить посредством обмена виртуальным фотоном . Если взаимодействующие частицы не имеют энергии порядка массы Z-бозона (91 ГэВ) или выше, виртуальный обмен Z-бозоном имеет эффект крошечной поправки: $\ (E/M_{\mathrm {Z} })^{2}\ ,$ к амплитуде электромагнитного процесса.

Ускорители частиц с энергиями, необходимыми для наблюдения взаимодействий нейтральных токов и измерения массы Z-бозона, не были доступны до 1983 года.

С другой стороны, взаимодействия Z-бозона с участием нейтрино имеют отличительные особенности: они обеспечивают единственный известный механизм упругого рассеяния нейтрино в веществе; нейтрино почти с одинаковой вероятностью рассеиваются как упруго (посредством обмена Z-бозона), так и неупруго (посредством обмена W-бозоном ), что имеет большое экспериментальное значение, например, в эксперименте Нейтринной обсерватории Садбери .

Слабые нейтральные токи были предсказаны электрослабой теорией, разработанной в основном Абдусом Саламом , Джоном Клайвом Уордом , Шелдоном Глэшоу и Стивеном Вайнбергом . ^[3] и подтверждено вскоре после этого, в 1973 году, в эксперименте с нейтрино в Гаргамеля пузырьковой камере в ЦЕРНе .

См. также

Ссылки

^ Нейв, Р. «Нейтральный ток» . ГСУ.
^ Перейти обратно: ^а ^б «Лекция 11. Слабые взаимодействия» (PDF) . Физика элементарных частиц (конспекты курса). Эдинбургский университет . п. 7 . Проверено 20 мая 2021 г.
^ «Нобелевская премия по физике 1979 года» . Нобелевский фонд . Проверено 10 сентября 2008 г.

Внешние ссылки

«Открытие слабых нейтральных токов» . ЦЕРН Курьер . 3 октября 2004 г.
«Гаргамель» . Публичная сеть ЦЕРН . Исследовать. Архивировано из оригинала 27 августа 2011 г. Проверено 27 августа 2011 г.
«Взаимодействие нейтрального тока». Британника .
Нейв, Р. «Нейтральный ток» . ГСУ.
Ньевес, Дж.; Вальверде, М.; Висенте Вакас, MJ (2006). «Реакции эмиссии нуклонов, индуцированные нейтрино с заряженным и нейтральным током» (PDF) . Акта Физика Полоника Б. 37 (8): 2295–2301. arXiv : hep-ph/0605221 . Бибкод : 2006AcPPB..37.2295N . Архивировано из оригинала (PDF) 21 января 2012 года.
«Гаргамель» . Журнал «Симметрия» . 07.07.2009.
Фрейзер, Гордон (3 ноября 1998 г.). «Двадцать пять лет нейтральных токов» . ЦЕРН Курьер . 27904. Гордон Фрейзер вспоминает, как подтверждение существования нейтральных токов привело к новому пониманию физики.
Фенкарт, Санье (3 июля 2023 г.). «Нейтринная одиссея ЦЕРН» . ЦЕРН Курьер . Санье Фенкарт вспоминает открытие нейтральных токов в свой 50-летний юбилей
Падилья, Антонио (Тони). Брэди Харан (ред.). «Гаргамель и нейтральные токи» . Шестьдесят символов . Университет Ноттингема .

[1] Нейв, Р. «Нейтральный ток» . ГСУ.

[ScatAmp-2] Перейти обратно: ^а ^б «Лекция 11. Слабые взаимодействия» (PDF) . Физика элементарных частиц (конспекты курса). Эдинбургский университет . п. 7 . Проверено 20 мая 2021 г.

[3] «Нобелевская премия по физике 1979 года» . Нобелевский фонд . Проверено 10 сентября 2008 г.

[1]

[2]

[3]