Слабое взаимодействие

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

Стандартная модель в физике элементарных частиц
Элементарные частицы по стандартной модели
Задний план Физика элементарных частиц Стандартная модель Квантовая теория поля Калибровочная теория Спонтанное нарушение симметрии Механизм Хиггса
Избиратели Электрослабое взаимодействие Квантовая хромодинамика Матрица СКМ Стандартная модель Математика
Ограничения Сильная проблема CP. Проблема иерархии. Осцилляции нейтрино. Физика за пределами стандартной модели.
Ученые Резерфорд  · Томсон  · Чедвик  · Боз  · Сударшан  · Кошиба  · Дэвис-младший  · Андерсон  · Ферми  · Дирак  · Фейнман  · Руббиа  · Гелл-Манн  · Кендалл  · Тейлор  · Фридман  · Пауэлл  · П.У. Андерсон  · Глэшоу  · Илиопулос  · Майани  · Меер  · Коуэн  · Намбу  · Чемберлен  · Кабиббо  · Шварц  · Перл  · Майорана  · Вайнберг  · Ли  · Уорд  · Салам  · Кобаяши  · Маскава  · Ян  · Юкава  · 'т Хофт  · Велтман  · Гросс  · Политцер  · Вильчек  · Кронин  · Фитч  · Флек  · Хиггс  · Энглерт  · Броут  · Хаген  · Гуральник  · Киббл  · Тинг  · Рихтер
v т е

В ядерной физике и физике элементарных частиц , то слабое взаимодействие , которое также часто называют слабой силой или слабой ядерной силой , является механизмом взаимодействия элементарных частиц , который отвечает за радиоактивный распад атомов. Слабое взаимодействие участвует в делении ядер , и теорию, описывающую его поведение и эффекты, иногда называют квантовой динамикой аромата ( QFD ). Однако термин QFD используется редко, потому что слабое взаимодействие лучше понимается электрослабой теорией (EWT). ^[1]

Эффективный диапазон слабого взаимодействия ограничен субатомными расстояниями и меньше диаметра протона. Это одно из четырех известных силовых фундаментальных взаимодействий природы, наряду с сильным взаимодействием , электромагнетизмом и гравитацией . ^[2]

Фон [ править ]

Стандартная модель по физике элементарных частиц обеспечивает равномерную структуру для понимания электромагнитных, слабых и сильных взаимодействий. Взаимодействие происходит, когда две частицы (обычно, но не обязательно фермионы с полуцелым спином ) обмениваются бозонами с целым спином, несущими силу . Фермионы, участвующие в таком обмене, могут быть элементарными (например, электроны или кварки ) или 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 + , W - и Z-бозонами . В массах этих бозонов гораздо больше , чем масса протона или нейтрона, что согласуется с коротким диапазоном слабой силы. Фактически, сила называется слабой, потому что ее напряженность поля на заданном расстоянии обычно на несколько порядков меньше, чем у сильного ядерного взаимодействия или электромагнитного взаимодействия.

Кварки , из которых состоят составные частицы, такие как нейтроны и протоны, бывают шести «вкусов» - вверх, вниз, странный, очаровательный, верхний и нижний - которые придают этим составным частицам их свойства. Слабое взаимодействие уникально тем, что позволяет кваркам менять свой аромат на другой. Обмен этих свойств осуществляется бозонами-носителями силы. Например, во время бета-минус-распада нижний кварк в нейтроне превращается в верхний кварк, тем самым превращая нейтрон в протон и приводя к испусканию электрона и электронного антинейтрино. Другой важный пример явления, связанного со слабым взаимодействием, - это синтез водорода в гелий, который приводит в действие термоядерный процесс на Солнце.

Большинство фермионов со временем распадаются из-за слабого взаимодействия. Такой распад делает возможным радиоуглеродное датирование , поскольку углерод-14 распадается из-за слабого взаимодействия с азотом-14 . Он также может создавать радиолюминесценцию , обычно используемую при освещении тритием и в смежной области бетавольтаики . ^[3]

Слабое взаимодействие - единственное фундаментальное взаимодействие, которое нарушает симметрию четности , и, аналогично, единственное взаимодействие, нарушающее симметрию четности .

В кварковой эпохе в ранней Вселенной , то электрослабые силы разделены на электромагнитные и слабые силы.

История [ править ]

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 пробега. ^{[4] [5]}

Однако его лучше описать как неконтактное силовое поле, имеющее конечный диапазон, хотя и очень короткий. ^{[ необходима цитата ]} В 1960-х Шелдон Глэшоу , Абдус Салам и Стивен Вайнберг объединили электромагнитную силу и слабое взаимодействие, показав, что они являются двумя аспектами одной силы, которая теперь называется электрослабой силой. ^{[6] [7]}

Существование W- и Z - бозонов не было непосредственно подтверждено до 1983. ^[8]

Свойства [ править ]

Электрически заряженное слабое взаимодействие уникально во многих отношениях:

• Это единственное взаимодействие, которое может изменить аромат кварков (т.е. преобразовать один тип кварка в другой).
• Это единственное взаимодействие, которое нарушает P или симметрию четности . Это также единственный, который нарушает CP- симметрию зарядовой четности .
• Оба электрически заряженные и электрически нейтральные взаимодействия опосредуются (размножают) с помощью частиц носителя силы , которые имеют значительные массы, необычную особенность , которая объяснена в стандартной модели с помощью механизма Хиггса .

Из-за своей большой массы (примерно 90 ГэВ / c ^{2 [9]} ) эти частицы-носители, называемые W- и Z-бозонами, недолговечны, их время жизни составляет менее 10 ^-24  секунд. ^[10] Слабое взаимодействие имеет константу связи (показатель силы взаимодействия) от 10 ⁻⁷ до 10 ⁻⁶ , по сравнению с константой связи сильного взаимодействия, равной 1, и константой электромагнитной связи, равной примерно 10 ⁻² ; ^[11] следовательно, слабое взаимодействие является «слабым» с точки зрения силы. ^[12] Слабое взаимодействие имеет очень короткий эффективный диапазон (от 10 ⁻¹⁷ до 10⁻¹⁶  м ^[12] ). ^[11] На расстояниях около 10 ^-18 метров слабое взаимодействие имеет силу, схожую по величине с электромагнитной силой, но она начинает экспоненциально уменьшаться с увеличением расстояния. В масштабе всего на полтора порядка на расстояниях примерно 3 × 10 ^-17  м слабое взаимодействие становится в 10 000 раз слабее. ^[13]

Слабое взаимодействие влияет на все фермионы на Стандартной модели , а также бозон Хиггса ; нейтрино взаимодействуют только через гравитацию и слабое взаимодействие. Слабое взаимодействие не создает связанных состояний и не связано с энергией связи - то, что гравитация делает в астрономическом масштабе , электромагнитное взаимодействие - на атомном уровне, а сильное ядерное взаимодействие - внутри ядер. ^[14]

Его наиболее заметный эффект связан с его первой уникальной особенностью: заряженное слабое взаимодействие вызывает изменение вкуса . Например, нейтрон тяжелее протона (его партнер нуклон ), и может распадаться на протон, изменяя аромат (типа) одного из двух вниз кварков к вверх кварка. Ни сильное взаимодействие, ни электромагнетизм не допускают изменения аромата, поэтому это происходит путем слабого распада ; без слабого распада такие свойства кварков, как странность и очарование (связанные со странными кварками и очаровательными кварками, соответственно), также будут сохраняться во всех взаимодействиях.

Все мезоны нестабильны из-за слабого распада. ^{[15] [а]} В процессе , известном как бета - распада , A вниз кварков в нейтрон может изменить в свою очередь кварк, испуская виртуальный
W^-
 бозон, который затем превращается в электрон и в электронный антинейтрино . ^[16] Другим примером является захват электрона , распространенный вариант радиоактивного распада , при котором протон и электрон внутри атома взаимодействуют и превращаются в нейтрон (верхний кварк заменяется нижним кварком), а электронное нейтрино - испускается.

Из-за больших масс W-бозонов преобразования или распады частиц (например, изменение аромата), которые зависят от слабого взаимодействия, обычно происходят намного медленнее, чем преобразования или распады, которые зависят только от сильных или электромагнитных сил. Например, нейтральный пион электромагнитно распадается, поэтому его срок службы составляет всего около 10 ^-16  секунд. Напротив, заряженный пион может распадаться только в результате слабого взаимодействия и поэтому живет примерно ^10-8  секунд, или в сто миллионов раз дольше, чем нейтральный пион. ^[17] Особенно ярким примером является распад свободного нейтрона при слабой силе, который занимает около 15 минут. ^[16]

Слабый изоспин и слабый гиперзаряд [ править ]

Все частицы обладают свойством, называемым слабым изоспином (символ T ₃ ), которое служит аддитивным квантовым числом , ограничивающим поведение частицы при слабом взаимодействии. Слабый изоспин играет ту же роль в слабом взаимодействии, что и электрический заряд в электромагнетизме , и цветной заряд в сильном взаимодействии . Все левые фермионы имеют слабое значение изоспина либо ++1/2или -+1/2; все правые фермионы имеют нулевой изоспин. Например, кварк имеет T ₃ из ++1/2а нижний кварк -+1/2. Кварк никогда не затухает через слабое взаимодействие в кварк одного и того же Т - ₃ : Quarks с Т ₃ из ++1/2Только распад кварков с Т ₃ из -+1/2 и наоборот.

В любом данном взаимодействии сохраняется слабый изоспин : сумма чисел слабого изоспина частиц, вступающих во взаимодействие, равна сумме чисел слабого изоспина частиц, покидающих это взаимодействие. Например, a (левша)
π⁺
, со слабым изоспином +1 нормально распадается на
ν
_μ ( при T ₃ = ++1/2) и
μ⁺
( как правая античастица, ++1/2) . ^[17]

Для развития электрослабой теории было изобретено еще одно свойство - слабый гиперзаряд , определяемый как:

${\ Displaystyle Y _ {\ текст {W}} = 2 (Q-T_ {3})}$

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 ; в то время как некоторые частицы имеют слабый изоспин нуля, всем известный спин 1/2частицы имеют ненулевой слабый гиперзаряд. ^[b]

Типы взаимодействия [ править ]

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

Заряженный ток взаимодействия [ править ]

При одном типе взаимодействия заряженного тока заряженный лептон (например, электрон или мюон , имеющий заряд -1) может поглотитьW+ бозон (частица с зарядом +1) и тем самым преобразоваться в соответствующее нейтрино (с зарядом 0), где тип («аромат») нейтрино (электрон, мюон или тау) такой же, как и тип лептона во взаимодействии, например:

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

Аналогичным образом , вниз типа кварк ( д с зарядом - 1 / 3 ) может быть преобразован в до типа кварк ( ¯u , с зарядом + 2 / 3 ), испуская
W^-
 бозон или поглощая
W⁺
 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 вероятностями, указанными в таблицах матриц CKM . И наоборот, кварк типа up может испускать
W⁺
 бозон, или поглотить
W^-
бозон и тем самым превратиться в кварк нижнего типа, например:

${\ displaystyle {\ begin {align} d & \ to u + W ^ {-} \\ d + W ^ {+} & \ to u \\ c & \ to s + W ^ {+} \\ c + W ^ {-} & \ к s \ end {выровнено}}}$

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

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

Распад W-бозона на другие продукты может происходить с различной вероятностью. ^[19]

В так называемом бета-распаде нейтрона (см. Рисунок выше) нижний кварк внутри нейтрона излучает виртуальный
W^-
бозон и тем самым превращается в ап-кварк, превращая нейтрон в протон. Из-за энергии, участвующей в процессе (т. Е. Разницы масс между нижним и верхним кварком),
W^-
бозон можно превратить только в электрон и в электрон-антинейтрино. ^[20] На уровне кварков процесс можно представить как:

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

Нейтрально-текущее взаимодействие [ править ]

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

${\ Displaystyle е ^ {-} \ к е ^ {-} + Z ^ {0}}$

Как
W^±
 бозоны,
Z⁰
 бозон также быстро распадается, ^[19] например:

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

В отличие от взаимодействия заряженного тока, правила отбора которого строго ограничены хиральностью, электрическим зарядом и / или слабым изоспином, нейтральный ток
Z⁰
Взаимодействие может вызвать отклонение любых двух фермионов в стандартной модели: либо частицы, либо античастицы с любым электрическим зарядом, а также с левой и правой киральностью, хотя сила взаимодействия различается. ^[c]

Электрослабая теория [ править ]

Стандартная модель физики элементарных частиц описывает электромагнитное взаимодействие и слабое взаимодействие как два различных аспектов одного взаимодействия электрослабом. Эта теория была разработана примерно в 1968 году Шелдоном Глэшоу , Абдусом Саламом и Стивеном Вайнбергом , и они были удостоены Нобелевской премии по физике 1979 года за свою работу. ^[21] Механизм Хиггса объясняет наличие трех массивных калибровочных бозонов (
W⁺
,
W^-
,
Z⁰
, три переносчика слабого взаимодействия) и безмассовый фотон ( γ , переносчик электромагнитного взаимодействия). ^[22]

Согласно электрослабой теории, при очень высоких энергиях Вселенная имеет четыре компонента поля Хиггса , взаимодействия которых переносятся четырьмя безмассовыми калибровочными бозонами, каждый из которых подобен фотону, образующих сложный скалярный дублет поля Хиггса. Точно так же есть 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 ожидать, что нарушение симметрии приведет к появлению трех безмассовых бозонов., но вместо этого эти «лишние» три бозона Хиггса включаются в три слабых бозона, которые затем приобретают массу через механизм Хиггса . Эти три составных бозона являются
W⁺
,
W^-
, а также
Z⁰
 бозоны слабого взаимодействия. Четвертый электрослабый калибровочный бозон - это фотон электромагнетизма, который не связывается ни с одним из полей Хиггса и остается безмассовым. ^[22]

Эта теория сделала ряд предсказаний, в том числе предсказание масс
Z
а также
W
 бозоны до их открытия и обнаружения в 1983 году.

4 июля 2012 г. экспериментальные группы CMS и ATLAS на Большом адронном коллайдере независимо друг от друга объявили, что они подтвердили формальное открытие ранее неизвестного бозона с массой от 125 до 127 ГэВ / c ² , поведение которого до сих пор «соответствовало "бозон Хиггса, добавив при этом осторожное замечание, что необходимы дополнительные данные и анализ, прежде чем положительно идентифицировать новый бозон как бозон Хиггса определенного типа. К 14 марта 2013 года было предварительно подтверждено существование бозона Хиггса. ^[23]

В умозрительном случае, когда масштаб нарушения электрослабой симметрии был понижен, непрерывное взаимодействие SU (2) в конечном итоге стало бы ограничивающим . Альтернативные модели, в которых SU (2) становится ограничивающим над этим масштабом, кажутся количественно похожими на Стандартную модель при более низких энергиях, но кардинально отличаются от нарушения симметрии. ^[24]

Нарушение симметрии [ править ]

В законы природы были на протяжении долгого времени остаются неизменными при зеркальном отражении . Ожидалось, что результаты эксперимента, просматриваемые через зеркало, будут идентичны результатам зеркально отраженной копии экспериментальной установки. Этот так называемый закон сохранения четности, как известно, соблюдается классической гравитацией , электромагнетизмом и сильным взаимодействием ; это считалось универсальным законом. ^[25] Однако в середине 1950-х годов Чен-Нин Ян и Цзун-Дао Ли предположили, что слабое взаимодействие может нарушать этот закон. Чиен Шиунг Вуи сотрудники в 1957 году обнаружили, что слабое взаимодействие нарушает четность, за что Ян и Ли получили Нобелевскую премию по физике 1957 года . ^[26]

Хотя когда-то слабое взаимодействие описывалось теорией Ферми , открытие нарушения четности и теории перенормировки подсказало, что необходим новый подход. В 1957 году Роберт Маршак и Джордж Сударшан, а несколько позже Ричард Фейнман и Мюррей Гелл-Манн предложили лагранжиан V − A ( вектор минус аксиальный вектор или левосторонний).для слабых взаимодействий. В этой теории слабое взаимодействие действует только на левые частицы (и правые античастицы). Поскольку зеркальное отражение левой частицы правое, это объясняет максимальное нарушение четности. Теория V − A была развита до открытия Z-бозона, поэтому она не включала правые поля, входящие во взаимодействие с нейтральным током.

Однако эта теория позволила сохранить CP сложной симметрии . CP сочетает в себе четность P (переключение слева направо) с зарядовым сопряжением C (переключение частиц на античастицы). Физики были снова удивлены, когда в 1964 году Джеймс Кронин и Вал Фитч представили четкие доказательства того, что в распадах каонов может быть нарушена и CP-симметрия, и они получили Нобелевскую премию по физике 1980 года . ^[27] В 1973 году Макото Кобаяси и Тосихиде Маскава показали, что нарушение CP-симметрии в слабом взаимодействии требует более двух поколений частиц, ^[28]эффективно предсказывает существование тогда еще неизвестного третьего поколения. Это открытие принесло им половину Нобелевской премии по физике 2008 года. ^[29]

В отличие от нарушения четности, нарушение CP происходит только в ограниченных обстоятельствах. Несмотря на его редкость, широко распространено мнение, что оно является причиной того, что во Вселенной гораздо больше материи, чем антивещества , и, таким образом, образует одно из трех условий бариогенеза Андрея Сахарова . ^[30]

См. Также [ править ]

• Слабая Вселенная - постулат о том, что слабые взаимодействия не являются необходимыми с антропной точки зрения.
• Сила тяжести
• Сильное взаимодействие
• Электромагнетизм

Сноски [ править ]

Ссылки [ править ]

Цитаты [ править ]

Обычные читатели [ править ]

• Р. Ортер (2006). Теория почти всего: стандартная модель, невоспетый триумф современной физики . Плюм . ISBN 978-0-13-236678-6.
• Б.А. Шумм (2004). Вещи в глубине: захватывающая красота физики элементарных частиц . Издательство Университета Джона Хопкинса . ISBN 0-8018-7971-X.

Тексты [ править ]

• Уолтер Грайнер ; Б. Мюллер (2000). Калибровочная теория слабых взаимодействий . Springer. ISBN 3-540-67672-4.
• GD Coughlan; Дж. Э. Додд; Б.М. Грипайос (2006). Идеи физики элементарных частиц: введение для ученых (3-е изд.). Издательство Кембриджского университета. ISBN 978-0-521-67775-2.
• WN Коттингем; Д.А. Гринвуд (2001) [1986]. Введение в ядерную физику (2-е изд.). Издательство Кембриджского университета. п. 30. ISBN 978-0-521-65733-4.
• Ди-джей Гриффитс (1987). Введение в элементарные частицы . Джон Вили и сыновья. ISBN 0-471-60386-4.
• Г.Л. Кейн (1987). Современная физика элементарных частиц . Книги Персея . ISBN 0-201-11749-5.
• Д.Х. Перкинс (2000). Введение в физику высоких энергий . Издательство Кембриджского университета. ISBN 0-521-62196-8.

Внешние ссылки [ править ]

В Викицитатнике есть цитаты, связанные с: Слабое взаимодействие

• Гарри Чунг, Слабая сила @ Fermilab
• Фундаментальные силы @ Гиперфизика , Государственный университет Джорджии.
• Брайан Коберлейн , что такое слабая сила?