Slabá interakce

Slabá interakce je základní interakcí odpovědnou zejména za procesy beta rozpadu atomových jader a slabých rozpadů elementárních částic , jakož i porušení zákonů zachování prostorové a kombinované parity v nich. Tato interakce se nazývá slabá, protože další dvě interakce, které jsou významné pro jadernou fyziku a fyziku vysokých energií ( silná a elektromagnetická ), se vyznačují mnohem větší intenzitou. Je však mnohem silnější než čtvrtá ze základních interakcí, gravitační .

Slabá interakce je krátká - projevuje se na vzdálenosti přibližně 1000x menší než je velikost protonu , charakteristický poloměr interakce je 2⋅10 −18 m [1] .

Standardní model fyziky elementárních částic popisuje elektromagnetickou interakci a slabou interakci jako různé projevy sjednocené elektroslabé interakce , jejíž teorii vypracovali kolem roku 1968 S. Glashow , A. Salam a S. Weinberg . Za tuto práci obdrželi v roce 1979 Nobelovu cenu za fyziku .

Nositeli slabé interakce jsou vektorové bosony W + , W − a Z 0 . V tomto případě se rozlišuje interakce tzv. nabitých slabých proudů a neutrálních slabých proudů . Interakce nabitých proudů (za účasti nabitých bosonů W ± ) vede ke změně nábojů částic a přeměně některých leptonů a kvarků na jiné leptony a kvarky. Interakce neutrálních proudů (za účasti neutrálního bosonu Z 0 ) nemění náboje částic a přeměňuje leptony a kvarky na stejné částice.

Historie studia

V roce 1896 při práci se solemi uranu objevil Henri Becquerel fenomén radioaktivity [2] . V letech 1898-1899 Ernest Rutherford zjistil, že radioaktivní atomy vyzařují částice dvou typů, které nazval částice alfa a beta [3] . V roce 1899 práce Stefana Meyera, Egona Rittera von Schweidler , Friedries Gisil a A. Becquerel ukázaly, že částice beta jsou vychylovány magnetickým polem a mají záporný náboj. V roce 1900 A. Becquerel ukázal, že částice beta mají stejný poměr náboje k hmotnosti jako elektrony objevené krátce předtím [4] .

V roce 1914 James Chadwick zjistil, že při beta rozpadu bismutu - 210 mohou mít emitované elektrony libovolnou energii. To na první pohled odporovalo zákonu zachování energie. Také matoucí byl fakt, že ačkoli počáteční a konečný atom se řídil stejnými kvantovými statistikami , elektron nebyl, jak se očekávalo, Bose částice , ale měl rotaci ½ [5] . K vyřešení těchto rozporů Wolfgang Pauli v roce 1930 předpokládal , že neutrální částice je emitována spolu s elektronem během beta rozpadu. Později se ukázalo, že tato částice je neutrino [6] .

S využitím Pauliho hypotézy vyvinul Enrico Fermi v roce 1933 první teorii beta rozpadu ( čtyřfermionovou teorii slabé interakce ). Zajímavé je, že jeho práci odmítli publikovat v časopise Nature s odkazem na přílišnou abstraktnost článku. Fermiho teorie je založena na použití druhé kvantovací metody , podobné té, která již byla v té době aplikována na procesy emise a absorpce fotonů . Jednou z myšlenek zaznělých v práci bylo také tvrzení, že částice emitované z atomu v něm původně nebyly obsaženy, ale zrodily se v procesu interakce [6] .

V letech 1936-1937 byly v kosmickém záření objeveny miony , které byly zpočátku považovány za nosiče jaderných sil předpovídaných Hideki Yukawou . Předpoklad ohledně jaderných sil se však nepotvrdil: miony se neúčastní silných interakcí ( pi-mezony byly objeveny v roce 1947 , což byly částice předpovězené Yukawou) [7] . Následně se ukázalo, že miony a elektrony jsou si v mnoha ohledech podobné a zejména miony mohou být také zachyceny atomovým jádrem v procesu podobném inverznímu beta rozpadu [6] .

Dlouhou dobu se věřilo, že přírodní zákony jsou symetrické s ohledem na zrcadlový odraz , to znamená, že výsledek jakéhokoli experimentu by měl být stejný jako výsledek experimentu prováděného na zrcadlově symetrickém nastavení. Tato symetrie pod prostorovou inverzí (která je obvykle označována jako P ) souvisí se zákonem zachování parity . Nicméně v roce 1956, když teoreticky zvažovali proces rozpadu K-mezonu, Yang Zhenning a Li Zongdao navrhli, že slabá síla se nemusí řídit tímto zákonem. Již v roce 1957 Wu Jiansongova skupina potvrdila tuto předpověď v experimentu s β-rozpadem, který Yangovi a Li vynesl v roce 1957 Nobelovu cenu za fyziku . Později se stejná skutečnost potvrdila i při rozpadu mionu a dalších částic [1] .

Aby vysvětlili nová experimentální fakta, v roce 1957 Muray Gell-Mann , Richard Feynman , Robert Marshak a George Sudarshan vyvinuli univerzální teorii slabé interakce čtyř fermionů, nazvanou V − A teorie [1] .

Ve snaze zachovat maximální možnou symetrii interakcí L. D. Landau v roce 1957 navrhl, že ačkoli je P -symetrie ve slabých interakcích narušena, musí v nich být zachována kombinovaná symetrie CP  - kombinace zrcadlového odrazu a nahrazení částic antičásticemi. V roce 1964 však James Cronin a Val Fitch našli slabé porušení CP v rozkladech neutrálních kaonů . Ukázalo se, že za toto porušení je zodpovědná také slabá interakce; navíc teorie v tomto případě předpovídala, že kromě dvou do té doby známých generací kvarků a leptonů by měla existovat ještě alespoň jedna generace. Tato předpověď byla potvrzena nejprve v roce 1975 objevem leptonu tau a poté v roce 1977 objevem kvarku b . Cronin a Fitch obdrželi v roce 1980 Nobelovu cenu za fyziku .

V 60. letech 20. století Sheldon Lee Glashow , Steven Weinberg a Abdus Salam vytvořili na základě tehdy dobře rozvinuté kvantové teorie pole teorii elektroslabých interakcí , která kombinuje slabé a elektromagnetické interakce. Zavedli kalibrační pole a kvanta těchto polí — vektorové bosony W + , W − a Z 0 jako nositele slabé interakce. Kromě toho byla předpovězena existence dosud neznámých slabých neutrálních proudů . Tyto proudy byly experimentálně objeveny v roce 1973 při studiu procesů pružného rozptylu neutrin a antineutrin nukleony .

Vlastnosti

Všechny základní fermiony ( leptony a kvarky ) se účastní slabé interakce. Toto je jediná interakce, které se neutrina účastní [8] (nepočítáme -li gravitaci , jejíž vliv na jednotlivé elementární částice je zanedbatelný). To vysvětluje kolosální pronikavou sílu neutrin, protože působí ve velmi malé vzdálenosti ve srovnání s velikostí částic (charakteristický poloměr interakce je 2⋅10−18 m, což je asi 1000krát méně než velikost protonu). Slabá interakce umožňuje leptonům, kvarkům a jejich antičásticím vyměňovat si energii , hmotnost , elektrický náboj a kvantová čísla  – to znamená přeměňovat se navzájem.

Slabá síla dostala svůj název podle skutečnosti, že její charakteristická intenzita je mnohem nižší než u elektromagnetismu . Ve fyzice elementárních částic je intenzita interakce obvykle charakterizována rychlostí procesů způsobených touto interakcí. Čím rychleji procesy probíhají, tím vyšší je intenzita interakce. Při energiích interagujících částic řádu 1 GeV je charakteristická rychlost procesů v důsledku slabé interakce asi 10 −10 s , což je asi o 11 řádů déle než u elektromagnetických procesů, tedy pro fyziku elementárních částic slabé procesy jsou extrémně pomalé procesy [1] .

Další charakteristikou intenzity interakce je střední volná dráha částic v látce. Aby bylo možné zastavit létající hadron v důsledku silné interakce , je zapotřebí železná deska o tloušťce několika centimetrů. A neutrino, které se účastní pouze slabých interakcí, může bez interakcí proletět vrstvou železa o tloušťce několika světelných let .

Slabá interakce má mimo jiné velmi malý akční rádius - asi 2⋅10 -18 m (to je přibližně 1000x menší než velikost jádra). Právě z tohoto důvodu, přestože je slabá interakce mnohem intenzivnější než gravitační, jejíž dosah je neomezený, hraje znatelně menší roli. Například i pro jádra nacházející se ve vzdálenosti 10 −10 m je slabá interakce slabší nejen elektromagnetická, ale i gravitační [1] .

V tomto případě intenzita slabých procesů silně závisí na energii interagujících částic. Čím vyšší energie, tím vyšší intenzita. Například díky slabé interakci se neutron , jehož energie uvolněná během beta rozpadu je přibližně 0,8 MeV , rozpadá za asi 10 3 s a Λ-hyperon , s uvolněním energie asi stokrát více, již za 10 −10 s . Totéž platí pro energetická neutrina: průřez pro interakci s nukleonem neutrina o energii 100 GeV je o šest řádů větší než u neutrina s energií asi 1 MeV . Při energiích řádově několika stovek GeV (v systému těžiště kolidujících částic) se však intenzita slabé interakce stává srovnatelnou s energií elektromagnetické interakce, v důsledku čehož je lze popsat jednotným způsobem jako elektroslabá interakce [1] .

Slabá interakce je jedinou ze základních interakcí, pro kterou neplatí zákon zachování parity , což znamená, že zákony, podle kterých se slabé procesy řídí, se při zrcadlení systému mění. Porušení zákona zachování parity vede k tomu, že slabé interakci podléhají pouze levé částice ( jejichž spin směřuje opačně k hybnosti ), ale nikoli pravé (jejichž spin je řízen společně s hybností ) a naopak. : pravé antičástice interagují slabě, ale levé jsou inertní [1] .

Kromě prostorové parity slabá interakce nezachovává ani kombinovanou paritu prostorového náboje, to je jediná známá interakce, která porušuje princip CP - invariance [1] .

Teoretický popis

Fermiho teorie

První teorii slabé síly vyvinul Enrico Fermi ve 30. letech 20. století. Jeho teorie je založena na formální analogii mezi procesem β-rozpadu a procesy elektromagnetické emise fotonů . Fermiho teorie je založena na interakci tzv. hadronových a leptonových proudů. V tomto případě se na rozdíl od elektromagnetismu předpokládá, že jejich interakce je kontaktní povahy a neznamená přítomnost nosiče podobného fotonu. V moderní notaci je interakce mezi čtyřmi hlavními fermiony (proton, neutron, elektron a neutrino) popsána operátorem tvaru [1]

kde  je tzv. Fermiho konstanta , číselně řádově rovna 10 −62 J⋅m³ nebo (  je hmotnost protonu) v soustavě jednotek, kde ;  — operátor zrození protonů (nebo antiprotonová anihilace ),  — operátor anihilace neutronů ( antineutronové zrození ),  — operátor zrození elektronů ( anihilace pozitronů ),  — operátor anihilace neutrin (antineutrinové zrození).

Produkt zodpovědný za přeměnu neutronu na proton se nazývá nukleonový proud a produkt, který přeměňuje elektron na neutrino, se nazývá leptonový proud. Předpokládá se, že tyto proudy, podobně jako elektromagnetické proudy, jsou 4-vektorové a (  jsou Diracovy matice ). Proto se jejich interakce nazývá vektorová [1] .

Podstatný rozdíl mezi slabými proudy zavedenými Fermim a elektromagnetickými je ten, že mění náboj částic: kladně nabitý proton se stává neutrálním neutronem a záporně nabitý elektron neutrálním neutrinem. V tomto ohledu se tyto proudy nazývají nabité proudy [1] .

Univerzální VA teorie

Univerzální teorii slabé interakce, nazývanou také V - A teorie, navrhl v roce 1957 M. Gell-Mann , R. Feynman , R. Marshak a J. Sudarshan . Tato teorie vzala v úvahu nedávno prokázanou skutečnost porušení parity ( P -symetrie) v případě slabé interakce. K tomu byly slabé proudy reprezentovány jako součet vektorového proudu V a axiálního proudu A (odtud název teorie) [1] .

Vektorové a axiální proudy se chovají přesně stejně pod Lorentzovými transformacemi . Při prostorové inverzi se však jejich chování liší: vektorový proud zůstává během takové transformace nezměněn, zatímco axiální proud mění znaménko, což vede k porušení parity. Proudy V a A se navíc liší v tzv. nábojové paritě (narušují C - symetrii) [1] .

Vezmeme-li v úvahu tři generace elementárních částic , leptonový proud, který se objevil ve Fermiho teorii, je reprezentován součtem následující formy

kde μ a τ znamenají mion a tau-lepton , a , a  — elektron, mion a tau neutrino [1] .

Podobně hadronový proud je součtem všech generací kvarkových proudů ( u  je nahoru, d  je dole, c je kouzlo  , s  je zvláštní, t  je pravda, b  je kvark kouzlo):

Na rozdíl od leptonového proudu jsou zde však operátory a lineární kombinací operátorů , a to znamená, že hadronový proud obsahuje celkem ne tři, ale devět členů. Tyto termíny lze spojit do jediné matice 3×3 nazývané matice Cabibbo-Kobajashi-Maskawa . Tato matice může být parametrizována třemi úhly a fázovým faktorem. Posledně jmenovaný charakterizuje míru narušení invariance CP ve slabé interakci [1] .

Všechny členy v nabitém proudu jsou součtem vektorových a axiálních operátorů s multiplikátory rovnými jedné [1] .

V − A -teorie je založena na Lagrangianu formy

kde  je nabitý proudový operátor a  je jeho konjugát (získaný substitucí atd.) [1]

Weinberg-Salamova teorie

Ve své moderní podobě je slabá interakce popsána jako součást jediné elektroslabé interakce v rámci Weinberg-Salamovy teorie . Jde o kvantovou teorii pole s kalibrační grupou SU (2)× U (1) a spontánně narušenou vakuovou stavovou symetrií způsobenou působením pole Higgsova bosonu . Důkaz renormalizovatelnosti takového modelu od Martinuse Veltmana a Gerarda 't Hoofta [9] byl oceněn v roce 1999 Nobelovou cenou za fyziku .

V této podobě je teorie slabé interakce zahrnuta do moderního standardního modelu a je to jediná interakce, která narušuje symetrie P a CP .

Podle teorie elektroslabé interakce není slabá interakce kontaktem, ale má své vlastní nositele - vektorové bosony W + , W - a Z 0 s nenulovou hmotností a spinem rovným 1. Hmotnost těchto bosonů je asi 90 GeV /s², což způsobuje malý akční rádius slabé síly.

V tomto případě jsou za interakci nabitých proudů zodpovědné nabité bosony W ± a existence neutrálního bosonu Z 0 znamená také existenci neutrálních proudů . Takové proudy byly skutečně experimentálně objeveny. Příkladem interakce s jejich účastí je zejména pružný rozptyl neutrina protonem. Při takových interakcích je zachován jak typ částic, tak jejich náboje [1] .

Aby bylo možné popsat interakci neutrálních proudů, musí být Lagrangian doplněn termínem formy

kde ρ  je bezrozměrný parametr, rovný jednotě ve standardní teorii (experimentálně se liší od jednoty ne více než 1 %),  je samoadjungovaný neutrální proudový operátor [1] .

Na rozdíl od nabitých proudů je operátor neutrálního proudu diagonální, to znamená, že převádí částice do sebe a ne do jiných leptonů nebo kvarků. Každý z členů neutrálního proudového operátoru je součtem vektorového operátoru s multiplikátorem a axiálního operátoru s multiplikátorem , kde  je třetí projekce tzv. slabého izotopového spinu , Q  je náboj částice,  je Weinbergův úhel . Úhel určuje strukturu neutrálních proudů a vztah mezi konstantami g a e slabé a elektromagnetické interakce [1] :

Role v přírodě

Slabý rozpad

Slabá interakce může také vést k rozpadu masivních částic na lehčí. Tento typ rozpadu se nazývá slabý rozpad. Zejména je to právě kvůli tomuto rozpadu, že koncentrace částic, jako jsou miony , π-mezony , podivné a okouzlené částice , jsou v přírodě zanedbatelné. Faktem je, že na rozdíl od jiných typů základních interakcí se slabá interakce neřídí některými zákazy, což umožňuje nabitým leptonům přeměnu na neutrina a kvarkům jedné příchuti na kvarky jiné příchuti [1] .