Слабые взаимодействия в физике. Сильное и слабое взаимодействие

Фейнманивська диаграмма бета-распада нейтрона на протон, электрон и электронное антинейтрино через промежуточный W –бозон – одна из четырех фундаментальных физических взаимодействий между элементарными частицами наряду с гравитационным, электромагнитным и сильным. Наиболее известным ее проявлением является бета-распад и связанная с ним радиоактивность. Взаимодействие названа слабой, поскольку напряженность соответствующего ей поля в 10 13 меньше, чем в полей, удерживающих вместе ядерные частицы (нуклоны и кварки) и в 10 10 меньше по кулоновское на этих масштабах, однако значительно сильнее чем гравитационная. Взаимодействие имеет короткий радиус действия и проявляется лишь на расстояниях порядка размера атомного ядра.
Первую теорию слабого взаимодействия предложил Энрико Ферми в 1930. При разработке теории он использовал гипотезу Вольфганга Паули о существовании новой в то время элементарной частицы нейтрино.
Слабое взаимодействие описывает те процессы ядерной физики и физики элементарных частиц, которые происходят относительно медленно, напротив быстрым процессам, обусловленным сильным взаимодействием. Например, период полураспада нейтрона составляет примерно 16 мин. – Вечность по сравнению с ядерными процессами, для которых характерен время составляет 10 -23 с.
Для сравнения заряженные пионы? ± распадаются через слабое взаимодействие и имеют время жизни 2.6033 ± 0.0005 x 10 -8 c, тогда как нейтральный пион? 0 распадается на два гамма-кванта через электромагнитное взаимодействие и имеет время жизни 8.4 ± 0.6 x 10 -17 c.
Другая характеристика взаимодействия – длина свободного пробега частиц в веществе. Частицы, которые взаимодействуют через электромагнитное взаимодействие – заряженные частицы, гамма-кванты, можно задержать железной плитой толщиной в несколько десятнив сантиметров. Тогда как нейтрино, взаимодействующего лишь слабо, проходит, не столкнувшись ни разу, через слой металла толщиной миллиард километров.
В слабом взаимодействии участвуют кварки и лептоны, включая нейтрино. При этом изменяется аромат частиц, т.е. их тип. Например, в результате распада нейтрона один из его d-кварков превращается в u-кварк. Нейтрино уникальны тем, что взаимодействуют с другими частицами только за слабой, и еще слабую гравитационным взаимодействием.
По современным представлениям, сформулированными в Стандартной модели, слабое взаимодействие переносится калибровочные W-и Z-бозонами, которые были обнаружены на ускорителях в 1982. Их массы составляют 80 и 90 масс протона. Обмен виртуальными W-бозонами называют заряженным током, обмен Z-бозонами – нейтральным током.
Вершины диаграмм Фейнмана, описывающие возможные процессы с участием калибровочных W-и Z-бозонов можно разделить на три типа:

Лептон может випроминиты или поглотить W-бозон, и превратиться в нейтрино;
кварк может випроминиты или поглотить W-бозон, и изменить свой аромат, превратившись в суперпозицию других кварков;
лептон или кварк может поглотить или випроминиты Z-бозон

Способность частицы до слабого взаимодействия описывается квантовым числом, что называется слабый изоспин. Возможные значения изоспину для частиц, которые могут обмениваться W и Z бозонами ± 1 / 2. Именно эти частицы взаимодействуют через слабое взаимодействие. Не взаимодействуют за слабой взаемоидию частицы с нулевым слабым изоспином, для которых процессы обмена W и Z бозонами невозможны. Слабый изоспин сохраняется в реакциях между элементарными частицами. Это означает, что суммарный слабый изоспин всех частиц, участвующих в реакции, остается неизменным, хотя типы частиц могут при этом меняться.
Особенностью слабого взаимодействия является то, что она нарушает четность, поскольку способность к слабого взаимодействия через заряженные токи имеют только фермионы с левой хиральность и античастицы фермионов с правой хиральность. Несохранение четности в слабом взаимодействии открыли Янг Чжэньнин и Ли Чжэндао, за что получили Нобелевскую премию по физике за 1957 год. Причину несохранение четности видят в спонтанном нарушении симметрии. В рамках Стандартной модели за нарушение симметрии соответствует гипотетическая частица – бозон Хиггса. Это единственная частичка обычная модели, которая еще не была обнаружена экспериментально.
При слабом взаимодействии нарушается также CP симметрия. Это нарушение было выявлено экспериментально в 1964 году в экспериментах с каона. Авторы открытия Джеймс Кронин и Вал Фитч награждены Нобелевской премией за 1980. Несохранение CP-симметрии происходит гораздо реже, чем нарушение четности. Оно означает также, поскольку сохранение CPT-симметрия опирается на фундаментральни физические принципы – преобразования Лоренца и близкодействия, возможность нарушения T-симметрии, т.е. неинвариантнисть физических процессов по изменению направления времени.

В 1969 была построена единая теория электромагнитного и слабого ядерного взаимодействия, согласно которой при энергиях советов 100 ГэВ, что соответствует температуре 10 15 К разница между электромагнитными и слабыми процессами исчезает. Экспериментальная проверка единой теории электрослабого и сильного ядерного взаимодействия требует увеличения энергии ускорителей в сто миллиардов раз.
Теория электрослабого взаимодействия построена на основе группы симметрии SU (2).
Несмотря на малую величину и короткодию, слабое взаимодействие выполняет очень важную роль в природе. Если бы удалось «выключить» слабое взаимодействие, то Солнце погасло бы, поскольку стало бы невозможным процесс превращения протона в нейтрон, позитрон и нейтрино, в результате которого 4 протона превращаются в 4 He два позитроны и два нейтрино. Этот процесс служит основным источником энергии для Солнца и большинства звезд (см. Водородный цикл). Процессы слабого взаимодействия важны для эволюции звезд, поскольку они обусловливают потери энергии очень горячих звезд во взрывах сверхновых с образованием пульсаров и т.д. Если бы не было слабого взаимодействия в природе были бы стабильны и широко распространены в обычной веществе мюоны, пи-мезоны и другие частицы. Столь важная роль слабого взаимодействия повязна с тем, что она не подчиняется ряду запретов, характерных для сильного и елетромагнитнои взаимодействий. В частности, слабое взаимодействие превращает заряженные лептоны в нейтрино, а кварки одного аромата – в кварки другое.

Переносчиками слабого взаимодействия являются векторные бозоны W + , W − и Z 0 . При этом различают взаимодействие так называемых заряженных слабых токов и нейтральных слабых токов . Взаимодействие заряженных токов (при участии заряженных бозонов W ± ) приводит к изменению зарядов частиц и превращению одних лептонов и кварков в другие лептоны и кварки. Взаимодействие нейтральных токов (при участии нейтрального бозона Z 0 ) не меняет заряды частиц и переводит лептоны и кварки в те же самые частицы.

Энциклопедичный YouTube

1 / 5
Воспользовавшись гипотезой Паули, Энрико Ферми разработал в 1933 году первую теорию бета-распада. Интересно, что его работу отказались публиковать в журнале Nature , сославшись на излишнюю абстрактность статьи. Теория Ферми основана на использовании метода вторичного квантования , аналогичного тому, который был уже применён к тому времени для процессов испускания и поглощения фотонов . Одной из идей, озвученных в работе, было также утверждение о том, что вылетающие из атома частицы не содержались в нём изначально, а были рождены в процессе взаимодействия.
Долгое время считалось, что законы природы симметричны относительно зеркального отражения , то есть результат любого эксперимента должен быть таким же, как результат эксперимента, проведённого на зеркально-симметричной установке. Эта симметрия относительно пространственной инверсии (которая обычно обозначается как P ) связана с законом сохранения чётности . Однако в 1956 году при теоретическом рассмотрении процесса распада K-мезонов Янг Чжэньнин и Ли Цзундао предположили, что слабое взаимодействие может не подчиняться этому закону. Уже в 1957 году группа Ву Цзяньсун подтвердили это предсказание в эксперименте по β-распаду, что принесло Янгу и Ли Нобелевскую премию по физике за 1957 год. Позднее тот же факт был подтверждён в распаде мюона и других частиц .
Чтобы объяснить новые экспериментальные факты, в 1957 году Мюреем Гелл-Манном , Ричардом Фейнманом , Робертом Маршаком и Джорджем Сударшаном была разработана универсальная теория четырёхфермионного слабого взаимодействия, получившая название V − A -теории .
В стремлении сохранить максимально возможную симметрию взаимодействий Л. Д. Ландау в 1957 году предположил, что хотя P -симметрия нарушается в слабых взаимодействиях, в них должна сохраняться комбинированная симметрия CP - комбинация зеркального отражения и замены частиц на античастицы. Однако в 1964 году Джеймс Кронин и Вал Фитч в распадах нейтральных каонов нашли слабое нарушение CP -чётности . За это нарушение также оказалось ответственным именно слабое взаимодействие, более того теория в таком случае предсказывала, что кроме двух поколений кварков и лептонов , известных к тому времени, должно существовать как минимум ещё одно поколение. Это предсказание получило подтверждение сначала в 1975 году, когда был открыт тау-лептон , а затем в 1977 году с открытием b-кварка . Кронин и Фитч получили Нобелевскую премию по физике 1980 года.

Свойства

В слабом взаимодействии принимают участие все фундаментальные фермионы (лептоны и кварки). Это единственное взаимодействие, в котором участвуют нейтрино (не считая гравитации , пренебрежимо малой в лабораторных условиях), чем объясняется колоссальная проникающая способность этих частиц. Слабое взаимодействие позволяет лептонам, кваркам и их античастицам обмениваться энергией , массой , электрическим зарядом и квантовыми числами - то есть превращаться друг в друга.
Слабое взаимодействие получило своё название из-за того, что его характерная интенсивность значительно ниже, чем у электромагнетизма . В физике элементарных частиц интенсивность взаимодействия принято характеризовать скоростью протекания процессов, вызванных этим взаимодействием. Чем быстрее протекают процессы, тем выше интенсивность взаимодействия. При энергиях взаимодействующих частиц порядка 1 ГэВ характерная скорость протекания процессов, обусловленных слабым взаимодействием, составляет около 10 −10 с, что примерно на 11 порядков больше, чем для электромагнитных процессов, то есть слабые процессы - это чрезвычайно медленные процессы .
Другой характеристикой интенсивности взаимодействия является длина свободного пробега частиц в веществе. Так, для того, чтобы остановить за счёт сильного взаимодействия летящий адрон , требуется плита из железа толщиной в несколько сантиметров. А нейтрино, которое участвует только в слабом взаимодействии, может пролететь через плиту толщиной в миллиарды километров.
Помимо прочего, слабое взаимодействие обладает очень малым радиусом действия - около 2·10 -18 м (это приблизительно в 1000 раз меньше размера ядра). Именно по этой причине, несмотря на то, что слабое взаимодействие значительно интенсивнее гравитационного, радиус действия которого неограничен, оно играет заметно меньшую роль. Например, даже для ядер, находящихся на расстоянии 10 −10 м , слабое взаимодействие слабее не только электромагнитного, но и гравитационного .
При этом интенсивность слабых процессов сильно зависит от энергии взаимодействующих частиц. Чем выше энергия, тем интенсивность выше. Например, в силу слабого взаимодействия нейтрон , энерговыделение при бета-распаде которого равно приблизительно 0,8 МэВ , распадается за время около 10 3 с , а Λ-гиперон с энерговыделением примерно в сто раз больше, - уже за 10 −10 с . То же самое справедливо для энергичных нейтрино: сечение взаимодействия с нуклоном нейтрино с энергией 100 ГэВ на шесть порядков больше, чем у нейтрино с энергией около 1 МэВ . Однако при энергиях порядка нескольких сотен ГэВ (в системе центра масс сталкивающихся частиц) интенсивность слабого взаимодействия становится сравнимой с энергией электромагнитного взаимодействия, в результате чего они могут быть описаны единым образом как электрослабое взаимодействие .
Слабое взаимодействие является единственным из фундаментальных взаимодействий, для которого не выполняется закон сохранения чётности , это означает, что законы, которым подчиняются слабые процессы, меняются при зеркальном отражении системы. Нарушение закона сохранения чётности приводит к тому, что слабому взаимодействию подвержены только левые частицы (спин которых направлен противоположно импульсу), но не правые (спин которых сонаправлен с импульсом), и наоборот: правые античастицы взаимодействуют слабым образом, но левые - инертны .
Помимо пространственной чётности, слабое взаимодействие не сохраняет также и комбинированной пространственно-зарядовой чётности, то есть единственное из известных взаимодействий нарушает принцип CP -инвариантности .

Теоретическое описание

Теория Ферми

Первая теория слабого взаимодействия была разработана Энрико Ферми в 1930-х годах. Его теория основана на формальной аналогии между процессом β-распада и электромагнитных процессов излучения фотонов . В основе теории Ферми лежит взаимодействие так называемых адронного и лептонного токов. При этом в отличие от электромагнетизма предполагается, что их взаимодействие носит контактный характер и не подразумевает наличие переносчика, аналогичного фотону. В современных обозначениях взаимодействие между четырьмя основными фермионами (протоном, нейтроном, электроном и нейтрино) описывается оператором вида
G F 2 p ¯ ^ n ^ ⋅ e ¯ ^ ν ^ {\displaystyle {\frac {G_{F}}{\sqrt {2}}}{\hat {\overline {p}}}{\hat {n}}\cdot {\hat {\overline {e}}}{\hat {\nu }}} ,
где G F {\displaystyle G_{F}} - так называемая константа Ферми , численно равная приблизительно 10 −48 Дж/м³ или 10 − 5 / m p 2 {\displaystyle 10^{-5}/m_{p}^{2}} ( m p {\displaystyle m_{p}} - масса протона) в системе единиц, где ℏ = c = 1 {\displaystyle \hbar =c=1} ; p ¯ ^ {\displaystyle {\hat {\overline {p}}}} - оператор рождения протона (или уничтожения антипротона), n ^ {\displaystyle {\hat {n}}} - оператор уничтожения нейтрона (рождения антинейтрона), e ¯ ^ {\displaystyle {\hat {\overline {e}}}} - оператор рождения электрона (уничтожения позитрона), ν ^ {\displaystyle {\hat {\nu }}} - оператор уничтожения нейтрино (рождения антинейтрино).
Произведение p ¯ ^ n ^ {\displaystyle {\hat {\overline {p}}}{\hat {n}}} , отвечающее за перевод нейтрона в протон, получило название нуклонного тока, а e ¯ ^ ν ^ , {\displaystyle {\hat {\overline {e}}}{\hat {\nu }},} переводящее электрон в нейтрино, - лептонного. Постулируется, что эти токи аналогично электромагнитным токам являются 4-векторами p ¯ ^ γ μ n ^ {\displaystyle {\hat {\overline {p}}}\gamma _{\mu }{\hat {n}}} и e ¯ ^ γ μ ν ^ {\displaystyle {\hat {\overline {e}}}\gamma _{\mu }{\hat {\nu }}} ( γ μ , μ = 0 … 3 {\displaystyle \gamma _{\mu },~\mu =0\dots 3} - матрицы Дирака). Поэтому и их взаимодействие называется векторным .
Существенным отличием введённых Ферми слабых токов от электромагнитных является то, что они меняют заряд частиц: положительнозаряженный протон становится нейтральным нейтроном, а отрицательнозаряженный электрон - нейтральным же нейтрино. В связи с этим эти токи получили название заряженных токов .

Универсальная V-A теория

Универсальная теория слабого взаимодействия, получившая также название V − A -теории, была предложена в 1957 году М. Гелл-Манном , Р. Фейнманом , Р. Маршаком и Дж. Сударшаном . Эта теория принимала во внимание доказанный незадолго до этого факт нарушения чётности (P -симметрии) при слабом взаимодействии. Для этого слабые токи были представлены как сумма векторного тока V и аксиального A (отсюда и название теории) .
Векторный и аксиальный токи ведут себя совершенно одинаково при преобразованиях Лоренца . Однако при пространственной инверсии их поведение различно: векторный ток при таком преобразовании остаётся неизменным, а аксиальный ток меняет знак, что и приводит к нарушению чётности. Кроме того, токи V и A отличаются так называемой зарядовой чётностью (нарушают C -симметрию) .
Аналогично, адронный ток является суммой кварковых токов всех поколений (u - верхний, d - нижний, c - очарованный, s - странный, t - истинный, b - прелестный кварки):
u ¯ ^ d ′ ^ + c ¯ ^ s ′ ^ + t ¯ ^ b ′ ^ . {\displaystyle {\hat {\overline {u}}}{\hat {d^{\prime }}}+{\hat {\overline {c}}}{\hat {s^{\prime }}}+{\hat {\overline {t}}}{\hat {b^{\prime }}}.}
В отличие от лептонного тока, однако, здесь операторы d ′ ^ , {\displaystyle {\hat {d^{\prime }}},} s ′ ^ {\displaystyle {\hat {s^{\prime }}}} и b ′ ^ {\displaystyle {\hat {b^{\prime }}}} представляют собой линейную комбинацию операторов d ^ , {\displaystyle {\hat {d}},} s ^ {\displaystyle {\hat {s}}} и b ^ , {\displaystyle {\hat {b}},} то есть адронный ток содержит в общей сложности не три, а девять слагаемых. Эти слагаемые можно обединить в одну матрицу 3×3, называемую матрицей Кабиббо - Кобаяши - Маскавы . Эта матрица может быть параметризована тремя углами и фазовым множителем. Последний характеризует степень нарушения CP -инвариантности в слабом взаимодействии .
Все слагаемые в заряженном токе представляют собой сумму векторного и аксиального операторов с множителями, равными единице .
L = G F 2 j w ^ j w † ^ , {\displaystyle {\mathcal {L}}={\frac {G_{F}}{\sqrt {2}}}{\hat {j_{w}}}{\hat {j_{w}^{\dagger }}},}
где j w ^ {\displaystyle {\hat {j_{w}}}} - оператор заряженного тока, а j w † ^ {\displaystyle {\hat {j_{w}^{\dagger }}}} - сопряжённый ему (получается заменой e ¯ ^ ν e ^ → ν e ¯ ^ e ^ , {\displaystyle {\hat {\overline {e}}}{\hat {\nu _{e}}}\rightarrow {\hat {\overline {\nu _{e}}}}{\hat {e}},} u ¯ ^ d ^ → d ¯ ^ u ^ {\displaystyle {\hat {\overline {u}}}{\hat {d}}\rightarrow {\hat {\overline {d}}}{\hat {u}}} и т. д.)

Теория Вайнберга - Салама

В современной форме слабое взаимодействие описывается как часть единого электрослабого взаимодействия в рамках теории Вайнберга - Салама. Это квантовая теория поля с калибровочной группой SU (2)×U (1) и спонтанно нарушенной симметрией вакуумного состояния, вызванной действием поля бозона Хиггса . Доказательство перенормируемости такой модели Мартинусом Вельтманом и Герардом "т Хоофтом было отмечено Нобелевской премией по физике за 1999 год .
В этой форме теория слабого взаимодействия входит в современную Стандартную модель , причём оно - единственное взаимодействие, нарушающее симметрии P и CP .
Согласно теории электрослабого взаимодействия слабое взаимодействие не является контактным, а имеет своих переносчиков - векторные бозоны W + , W − и Z 0 с ненулевой массой и спином , равным 1. Масса этих бозонов составляет около 90 ГэВ /c², что и обуславливает малый радиус действия слабых сил.
При этом заряженные бозоны W ± отвечают за взаимодействие заряженных токов, а существование нейтрального бозона Z 0 означает существование также и нейтральных токов . Такие токи, действительно, были обнаружены экспериментально. Примером взаимодействия с их участием служит, в частности, упругое рассеяние нейтрино на протоне. При таких взаимодействиях сохраняется как вид частиц, так и их заряды .
Для описания взаимодействия нейтральных токов лагранжиан должен быть дополнен членом вида
L = G F ρ 2 2 f 0 ^ f 0 ^ , {\displaystyle {\mathcal {L}}={\frac {G_{F}\rho }{2{\sqrt {2}}}}{\hat {f_{0}}}{\hat {f_{0}}},}
где ρ - безразмерный параметр, в стандартной теории равный единице (экспериментально он отличается от единицы не более чем на 1 %), f 0 ^ = ν e ¯ ^ ν e ^ + ⋯ + e ¯ ^ e ^ + ⋯ + u ¯ ^ u ^ + … {\displaystyle {\hat {f_{0}}}={\hat {\overline {\nu _{e}}}}{\hat {\nu _{e}}}+\dots +{\hat {\overline {e}}}{\hat {e}}+\dots +{\hat {\overline {u}}}{\hat {u}}+\dots } - самосопряжённый оператор нейтрального тока .
В отличие от заряженных токов, оператор нейтрального тока диагонален, то есть переводит частицы в сами себя, а не в другие лептоны или кварки. Каждое из слагаемых оператора нейтрального тока представляет собой сумму векторного оператора с множителем и аксиального оператора с множителем I 3 − 2 Q sin 2 ⁡ θ w {\displaystyle I_{3}-2Q\sin ^{2}\theta _{w}} , где I 3 {\displaystyle I_{3}} - третья проекция так называемого слабого

Слабое взаимодействие
Это взаимодействие является наиболее слабым из фундаментальных взаимодействий, экспериментально наблюдаемых в распадах элементарных частиц, где принципиально существенными являются квантовые эффекты. Напомним, что квантовые проявления гравитационного взаимодействия никогда не наблюдались. Слабое взаимодействие выделяется с помощью следующего правила: если в процессе взаимодействия участвует элементарная частица, называемая нейтрино (или антинейтрино), то данное взаимодействие является слабым.

Слабое взаимодействие гораздо интенсивнее гравитационного.

Слабое взаимодействие в отличие от гравитационного является короткодействующим. Это означает, что слабое взаимодействие между частицами начинает действовать, только если частицы находятся достаточно близко друг к другу. Если же расстояние между частицами превосходит некоторую величину, называемую характерным радиусом взаимодействия, слабое взаимодействие не проявляет себя. Экспериментально установлено, что характерный радиус слабого взаимодействия порядка 10-15 см, то есть слабое взаимодействие, сосредоточен на расстояниях меньше размеров атомного ядра.

Почему можно говорить о слабом взаимодействии как о независимом виде фундаментальных взаимодействий? Ответ прост. Установлено, что есть процессы превращений элементарных частиц, которые не сводятся к гравитационным, электромагнитным и сильным взаимодействиям. Хороший пример, показывающий, что существуют три качественно различных взаимодействия в ядерных явлениях, связан с радиоактивностью. Эксперименты указывают на наличие трех различных видов радиоактивности: a-, b и g-радиоактивных распадов. При этом a-распад обусловлен сильным взаимодействием, g-распад - электромагнитным. Оставшийся b-распад не может быть объяснен электромагнитным и сильным взаимодействиями, и мы вынуждены принять, что есть еще одно фундаментальное взаимодействие, названное слабым. В общем случае необходимость введения слабого взаимодействия обусловлена тем, что в природе происходят процессы, в которых электромагнитные и сильные распады запрещены законами сохранения.

Хотя слабое взаимодействие существенно сосредоточено внутри ядра, оно имеет определенные макроскопические проявления. Как мы уже отмечали, оно связано с процессом b-радиоактивности. Кроме того, слабое взаимодействие играет важную роль в так называемых термоядерных реакциях, ответственных за механизм энерговыделения в звездах.

Удивительнейшим свойством слабого взаимодействия является существование процессов, в которых проявляется зеркальная асимметрия. На первый взгляд кажется очевидным, что разница между понятиями левое и правое условна. Действительно, процессы гравитационного, электромагнитного и сильного взаимодействия инвариантны относительно пространственной инверсии, осуществляющей зеркальное отражение. Говорят, что в таких процессах сохраняется пространственная четность P. Однако экспериментально установлено, что слабые процессы могут протекать с несохранением пространственной четности и, следовательно, как бы чувствуют разницу между левым и правым. В настоящее время имеются твердые экспериментальные доказательства, что несохранение четности в слабых взаимодействиях носит универсальный характер, оно проявляет себя не только в распадах элементарных частиц, но и в ядерных и даже атомных явлениях. Следует признать, что зеркальная асимметрия представляет собой свойство Природы на самом фундаментальном уровне.

В электромагнитном взаимодействии участвуют все заряженные тела, все заряженные элементарные частицы. В этом смысле оно достаточно универсально. Классической теорией электромагнитного взаимодействия является максвелловская электродинамика. В качестве константы связи принимается заряд электрона e.

Если рассмотреть два покоящихся точечных заряда q1 и q2, то их электромагнитное взаимодействие сведется к известной электростатической силе. Это означает, что взаимодействие является дальнодействующим и медленно спадает с ростом расстояния между зарядами. Заряженная частица испускает фотон, в силу чего состояние ее движения изменяется. Другая частица поглощает этот фотон и также изменяет состояние своего движения. В результате частицы как бы чувствуют наличие друг друга. Хорошо известно, что электрический заряд является размерной величиной. Удобно ввести безразмерную константу связи электромагнитного взаимодействия. Для этого надо использовать фундаментальные постоянные и c. В результате приходим к следующей безразмерной константе связи, называемой в атомной физике постоянной тонкой структуры

Легко заметить, что данная константа значительно превышает константы гравитационного и слабого взаимодействий.

С современной точки зрения электромагнитное и слабое взаимодействия представляют собой различные стороны единого электрослабого взаимодействия. Создана объединенная теория электрослабого взаимодействия - теория Вайнберга-Салама-Глэшоу, объясняющая с единых позиций все аспекты электромагнитных и слабых взаимодействий. Можно ли понять на качественном уровне, как происходит разделение объединенного взаимодействия на отдельные, как бы независимые взаимодействия?

Пока характерные энергии достаточно малы, электромагнитное и слабое взаимодействия отделены и не влияют друг на друга. С ростом энергии начинается их взаимовлияние, и при достаточно больших энергиях эти взаимодействия сливаются в единое электрослабое взаимодействие. Характерная энергия объединения оценивается по порядку величины как 102 ГэВ (ГэВ - это сокращенное от гигаэлектрон-вольт, 1 ГэВ = 109 эВ, 1 эВ = 1.6·10-12 эрг = 1.6·1019 Дж). Для сравнения отметим, что характерная энергия электрона в основном состоянии атома водорода порядка 10-8 ГэВ, характерная энергия связи атомного ядра порядка 10-2 ГэВ, характерная энергия связи твердого тела порядка 10-10 ГэВ. Таким образом, характерная энергия объединения электромагнитных и слабых взаимодействий огромна по сравнению с характерными энергиями в атомной и ядерной физике. По этой причине электромагнитное и слабое взаимодействия не проявляют в обычных физических явлениях своей единой сущности.

Сильное взаимодействие

Сильное взаимодействие ответственно за устойчивость атомных ядер. Поскольку атомные ядра большинства химических элементов стабильны, то ясно, что взаимодействие, которое удерживает их от распада, должно быть достаточно сильным. Хорошо известно, что ядра состоят из протонов и нейтронов. Чтобы положительно заряженные протоны не разлетелись в разные стороны, необходимо наличие сил притяжения между ними, превосходящих силы электростатического отталкивания. Именно сильное взаимодействие является ответственным за эти силы притяжения.

Характерной чертой сильного взаимодействия является его зарядовая независимость. Ядерные силы притяжения между протонами, между нейтронами и между протоном и нейтроном по существу одинаковы. Отсюда следует, что с точки зрения сильных взаимодействий протон и нейтрон неотличимы и для них используется единый термин нуклон, то есть частица ядра.

Итак, мы сделали обзор основных сведений, касающихся четырех фундаментальных взаимодействий Природы. Кратко описаны микроскопические и макроскопические проявления этих взаимодействий, картина физических явлений, в которых они играют важную роль.
Слабое взаимодействие и элементы
теории электрослабого взаимодействия
Урок-лекция объяснения нового материала, 2 ч. 11-й класс
Вы уже знаете, что все силы в природе сводятся к описанию гравитационного, электромагнитного и сильного взаимодействи й или их совокупностей. Гравитационное взаимодействие присуще всем материальным объектам. К электромагнитному сводятся не только взаимодействие между заряженными телами и частицами, но и упругие, вязкие, молекулярные, химические и другие взаимодействия. Сильное взаимодействие удерживает нуклоны в атомных ядрах и определяет различные превращения частиц друг в друга.
Сегодня мы рассмотрим ещё один, 4-й, тип фундаментальных взаимодействий, несводимый ни к одному из названных, – слабое взаимодействие . Узнаем поразительный факт, что на малых расстояниях слабое взаимодействие становится неотличимым от электромагнитного.

Слабое взаимодействие. Слабым это взаимодействие называется неслучайно. Во-первых, его проявления редко встречаются в нашей повседневной жизни, тогда как мы давно привыкли к различным проявлениям гравитационного и электромагнитного взаимодействий (например, падение всех тел на Землю, трение, молния и др.), к результатам действия ядерных сил, обеспечивающих стабильность окружающего нас вещества. Во-вторых, это взаимодействие действительно является слабым, т.к. его интенсивность при низких энергиях, не превышающих 1 ГэВ – энергии покоя протона, – в миллиарды раз меньше, чем интенсивность сильного и электромагнитного взаимодействий.

Кроме того, опыт показывает, что сильное и электромагнитное взаимодействия могут обеспечивать как различные превращения частиц, так и целостность какого-то материального объекта (например, сильное взаимодействие обеспечивает целостность ядра, электромагнитное взаимодействие – целостность кристаллической решётки). Силы слабого взаимодействия не хватает, чтобы удерживать частицы друг около друга (т.е. образовывать связанные состояния). Оно может проявляться только при распадах и взаимных превращениях частиц.

Несмотря на все «слабости» слабого взаимодействия, оно имеет очень большое значение. Именно это взаимодействие на микроуровне отвечает за выделение энергии в звёздах, в том числе и на Солнце. Можно сказать, что мы в прямом смысле не можем жить без этого взаимодействия! Кроме того, известный вам -распад радиоактивных ядер также происходит за счёт слабого взаимодействия.

Итак, каковы основные свойства слабого взаимодействия?

– Слабое взаимодействие при низких энергиях гораздо слабее сильного и электромагнитного взаимодействий;

– слабое взаимодействие является короткодействующим: радиус его действия порядка 10 –18 м;

– слабое взаимодействие универсально: в нём участвуют практически все частицы, кроме фотонов. Кроме того, есть частицы, которые участвуют только в слабом взаимодействии, например, нейтрино и антинейтрино ;

– при слабом взаимодействии не выполняются некоторые, казалось бы, всеобщие законы сохранения (этот вопрос рассмотрен в материале для самостоятельного изучения, см. далее).

Как известно, каждое из взаимодействий осуществляется посредством особых элементарных частиц – переносчиков того или иного взаимодействия. Например, фотоны – переносчики электромагнитного взаимодействия, глюоны – переносчики сильного взаимодействия. В настоящее время учёные пытаются открыть переносчиков гравитационного взаимодействия – гравитоны.

Переносчиками слабого взаимодействия являются промежуточные векторные бозоны . Их известно 3 вида: W – , W + , Z 0 . Эти частицы имеют очень большие массы: m W 85m p , m Z 96m p , где m p – масса протона.

Опишем подробнее роль промежуточных бозонов в процессах слабого взаимодействия. Например, при -распаде кварк d из нейтрона испускает W – -бозон и превращается в кварк u , так что нейтрон превращается в протон: d u + W – , – а затем W – -бозон распадается на электрон и антинейтрино: [Однако следует подчеркнуть, что из-за очень большой массы W -бозона эффективно -распад происходит так, что всё внутреннее «устройство» слабых взаимодействий не проявляется и отражается только в малой константе взаимодействия. Но если изучать процессы слабого взаимодействия при энергиях, сравнимых с массой W (т.е. порядка 100 ГэВ), то здесь вклад W -бозона отчётливо проявляется. – Ред. ]

2. Единое электрослабое взаимодействие. Дальнейшие теоретические исследования привели к тому, что картина фундаментальных взаимодействий стала упрощаться. Оказалось, что электромагнитные и слабые взаимодействия являются проявлением одного и того же взаимодействия, которое получило название электрослабого взаимодействия . Эту мысль впервые высказали (независимо друг от друга) в 1967 г. С.Вайнберг и А.Салам , выдвинув следующую гипотезу: природа слабого и электромагнитного взаимодействий едина, т.к. на малых расстояниях слабые взаимодействия сравниваются по силе с электромагнитными, и разница между промежуточными векторными бозонами и фотонами стирается . Иными словами, при энергиях, превышающих несколько сотен гигаэлектронвольт, электромагнитное и слабое взаимодействия становятся неразличимыми по интенсивности, они как бы сливаются в одно электрослабое взаимодействие.

Заметим, что Вайнберг и Салам опирались на высказанное ранее предположение, что переносчиками слабого взаимодействия являются промежуточные векторные бозоны. Экспериментально эти частицы были открыты гораздо позже (в 1983 г.).

3. Обоснование гипотезы Вайнберга–Салама. Вайнберг и Салам пришли к выводу о существовании единого электрослабого взаимодействия на основе новых фундаментальных физических идей:
1) локальной калибровочной инвариантности ;
2) спонтанного нарушения симметрии.

Из гипотезы следует, что на малых расстояниях промежуточные векторные бозоны не отличаются по своим свойствам от фотонов, а это значит, что промежуточные векторные бозоны и фотоны – это, по сути, два проявления одной и той же частицы – переносчика электрослабого взаимодействия (иначе сила взаимодействия не может быть одинаковой). Это возможно только тогда, когда выполняется принцип локальной калибровочной инвариантности (симметрии), (см. схему).

Выяснилось, что при изменении масштаба, т.е. при уменьшении расстояния, переносчики электрослабого взаимодействия переходят из одного своего проявления – фотонов – в другое свое проявление – промежуточные векторные бозоны, – но обмен ими осуществляется столь же легко.

Но тут встал новый вопрос: каким образом промежуточные векторные бозоны и фотоны могут быть проявлениями одних и тех же частиц, если у фотонов масса равна нулю, а промежуточные векторные бозоны имеют очень большие массы? Поскольку это одни и те же частицы, их массы обязаны совпадать. Казалось, что возникла безвыходная ситуация.

Оказалось, что промежуточные векторные бозоны способны приобретать свою массу в результате некоего механизма, который называется спонтанным нарушением симметрии . Этот механизм весьма сложен, но попробуем рассмотреть его суть на нескольких простых примерах.
Аналогично, в самых общих чертах, механизм спонтанного нарушения локальной калибровочной симметрии, которая обеспечивает «безмассовость» промежуточных векторных бозонов и их идентичность фотонам, приводит к появлению массы у промежуточных векторных бозонов и тем самым к различиям во внешнем проявлении слабого и электромагнитного взаимодействий.

Изложенные выше положения составляют единую теорию электрослабого взаимодействия . Именно из неё следовало существование трёх видов промежуточных векторных бозонов W – , W + , Z 0 , а также предсказаны значения их масс.

Экспериментальное открытие промежуточных векторных бозонов в 1983 г. подтвердило справедливость единой теории электрослабого взаимодействия. С этими экспериментами вам также предлагается ознакомиться самостоятельно (вопрос изложен в материале для самостоятельного изучения).

Таким образом, вместо четырёх фундаментальных взаимодействиях можно говорить лишь о трёх: гравитационном, сильном и электрослабом.

Материал для самостоятельного изучения

1. Невыполнение законов сохранения при слабом взаимодействии. Обнаружилось, что при слабом взаимодействии не выполняются некоторые, казалось бы, всеобщие законы сохранения, выполняющиеся при остальных трёх фундаментальных взаимодействиях (см. схему).

Рассмотрим законы, которые не выполняются при слабом взаимодействии.
В 1957 г. Ц.Ву было установлено, что закон сохранения чётности не выполняется при слабых взаимодействиях. Некоторое вещество, содержащее -активный изотоп кобальта , помещалось внутрь катушки с током, создающей магнитное поле (поле необходимо для упорядочивания ориентации спинов и собственных магнитных моментов ядер). Оказалось, что по одну сторону (например, вверх) испускалось примерно на 40% больше электронов, чем по другую.

Опыт на реальной установке (вверху) и его отражение в зеркале (внизу)

При зеркальном отражении всей картины, например, относительно зеркала, располагающегося внизу, мы увидим совершенно другое явление (большинство электронов вылетают вниз, хотя поле В кругового тока по-прежнему направлено вверх). Чтобы явление -распада в зеркале протекало точно так же, должно измениться направление «преимущественного» испускания электронов (вверх). Налицо нарушение закона сохранения пространственной чётности, которого бы не было, если бы электроны с равной вероятностью испускались как вверх, так и вниз.

Явление несохранения пространственной чётности при слабом взаимодействии можно проиллюстрировать и так. Рождающиеся при слабом взаимодействии частицы (электроны, мюоны, таоны) являются продольно-поляризованными. Это означает, что они имеют собственный момент импульса – спин j , который для данной частицы всегда либо сонаправлен с импульсом частицы p , либо направлен противоположно. При зеркальном отражении у этих частиц указанные векторы меняют направление по-разному. Спин направления не меняет, а импульс – меняет. Однако частиц с полученным расположением p и j попросту не существует, поэтому в зеркале процесс протекает иначе.

Частица с продольной поляризацией: а ) падение; б ) отражение

2. Открытие промежуточных векторных бозонов. В 1983 г. существование промежуточных векторных бозонов было экспериментально подтверждено. Известно, что основным методом исследования в физике элементарных частиц является метод рассеяния, т.е. столкновение различных частиц друг с другом, в результате которого рождаются новые частицы. В последнее время широко применяются коллайдеры – ускорители, в которых сталкиваются два пучка частиц с нулевым суммарным импульсом (частицы из разных пучков имеют равные по модулю, но противоположно направленные импульсы). Говорят, что процесс рассматривается в системе центра инерции сталкивающихся частиц . Рождающиеся в коллайдере новые частицы регистрируются различными детекторами.

Итак, столкнём протонный и антипротонный пучки, в каждом из которых энергия частицы равна Е . Тогда суммарная энергия столкновения двух частиц равна 2Е . При условии 2Е > Мс 2 в этом столкновении может быть рождена частица массой М . Рассмотрим процесс: , где Х – это набор всевозможных состояний, например,

Рождение промежуточных векторных бозонов проиллюстрируем диаграммой.

Кварк u из протона и антикварк из антипротона могут слиться в W + (это показано на диаграмме). Аналогично, пары могут дать при слиянии Z 9 -бозон, пара – W – -бозон. Но, родившись, эти частицы быстро распадаются. Например, и др.

Позитрон или положительно заряженный мюон с высокой эффективностью могут быть зарегистрированы детекторами, и это будет служить признаком рождения промежуточного векторного бозона. Нейтрино при этом улетают, унося значительную часть энергии.

Экспериментальное открытие векторных промежуточных бозонов подтвердило справедливость единой теории электрослабого взаимодействия.

Вопросы для самоконтроля

1. Перечислите и поясните законы сохранения, которые выполняются при слабом взаимодействии.

2. В чём суть закона сохранения пространственной чётности?

3. Поясните, каким образом было доказано невыполнение закона сохранения пространственной чётности при слабом взаимодействии. Когда и кем был проведён данный опыт?

4. Как ещё можно проиллюстрировать явление несохранения пространственной чётности при слабом взаимодействии?

5. Чем отличается закон сохранения пространственной чётности от закона сохранения комбинированной чётности? Почему нельзя говорить о его выполнимости для слабого взаимодействия?

6. Для чего были введены странность и чарм? Какие значения они могут принимать? Что можно сказать о сохранении этих величин при слабом взаимодействии?

7. Чем отличается изотопический спин от изотопического мультиплета? Приведите пример изотопического мультиплета. Всегда ли закон сохранения изоспина не выполняется при слабом взаимодействии?

8. Как вы считаете, почему до построения коллайдеров не удавалось экспериментально доказать существование промежуточных векторных бозонов?

9. Поясните процесс рождения промежуточных векторных бозонов в коллайдере.

10. Каким образом регистрируются рождающиеся в коллайдере промежуточные векторные бозоны?

Литература

Мякишев Г.Я. Элементарные частицы. – М.: Наука, 1979.

Методические указания по курсу «Физика атомного ядра и элементарных частиц»: Сост. Василевский А.С. Ч. 1, 2. – Киров: ГПИ, 1990.

Мухин К.Н. Занимательная ядерная физика. – М.: Энергоатомиздат, 1985.

Наумов А.И. Физика атомного ядра и элементарных частиц. – М.: Просвещение, 1984.

Окунь Л.Б . Физика элементарных частиц. – М.: Наука, 1988.

Орир Дж. Популярная физика. – М.: Мир, 1964.

Физика элементарных частиц. Астрофизика: Энциклопедия «Современное естествознание». Т. 4. – М.: ИД Магистр-Пресс, 2000.

Выпускник Кировского ГПУ 1996 г., учитель физики высшей квалификационной категории, педагогический стаж 9 лет, методист, к.п.н. Женат, имеет двоих детей.

Студентка 5-го курса физического факультета ВятГГУ.

СЛАБОЕ ВЗАИМОДЕЙСТВИЕ - одно из четырёх известных фундам. взаимодействий между . С. в. значительно слабее сильного и эл--магн. взаимодействий, но гораздо сильнее гравитационного. В 80-х гг. установлено, что слабое и эл--магн. взаимодействия - разл. проявления единого электрослабого взаимодействия .
Об интенсивности взаимодействий можно судить по скорости процессов, к-рые оно вызывает. Обычно сравнивают между собой скорости процессов при энергиях ГэВ, характерных для физики элементарных частиц. При таких энергиях процесс, обусловленный сильным взаимодействием, происходит за время с, эл--магн. процесс за времяс, характерное же время процессов, происходящих за счёт С. в. (слабых процессов), гораздо больше:с, так что в мире элементарных частиц слабые процессы протекают чрезвычайно медленно.
Другая характеристика взаимодействия - частицы в веществе. Сильно взаимодействующие частицы (адроны) можно задержать железной плитой толщиной в неск. десятков см, тогда как нейтрино, обладающее лишь С. в., проходило бы, не испытав ни одного столкновения, через железную плиту толщиной порядка миллиарда км. Ещё более слабым является гравитац. взаимодействие, сила к-рого при энергии ~1 ГэВ в 10 33 раз меньше, чем у С. в. Однако обычно роль гравитац. взаимодействия гораздо заметнее роли С. в. Это связано с тем, что гравитац. взаимодействие, как и электромагнитное, имеет бесконечно большой радиус действия; поэтому, напр., на тела, находящиеся на поверхности Земли, действует гравитац. притяжение всех атомов, из к-рых состоит Земля. Слабое же взаимодействие обладает очень малым радиусом действия: ок. 2*10 -16 см (что на три порядка меньше радиуса сильного взаимодействия). Вследствие этого, напр., С. в. между ядрами двух соседних атомов, находящихся на расстоянии 10 -8 см, ничтожно мало, несравненно слабее не только электромагнитного, но и гравитац. взаимодействий между ними.
Однако, несмотря на малую величину и короткодействие, С. в. играет очень важную роль в природе. Так, если бы удалось «выключить» С. в., то погасло бы Солнце, поскольку был бы невозможен процесс превращения протона в нейтрон, позитрон и нейтрино, в результате к-рого четыре протона превращаются в 4 Не, два позитрона и два нейтрино. Этот процесс служит осн. источником энергии Солнца и большинства звёзд (см. Водородный цикл ).Процессы С. в. с испусканием нейтрино вообще исключительно важны в эволюции звёзд , т. к. обусловливают потери энергии очень горячими звёздами, во взрывах сверхновых звёзд с образованием пульсаров и т. д. Если бы не было С. в., были бы стабильны и широко распространены в обычном веществе мюоны,-мезоны, странные и очарованные частицы, к-рые распадаются в результате С. в. Столь большая роль С. Е. связана с тем, что оно не подчиняется ряду запретов, характерных для сильного и эл--магн. взаимодействий. В частности, С. в. превращает заряженные лептоны в нейтрино, а одного типа (аромата) в кварки др. типов.
Интенсивность слабых процессов быстро растёт с ростом энергии. Так, бета-распад нейтрона ,энерговыделение в к-ром мало (~1 МэВ), длится ок. 10 3 с, что в 10 13 раз больше, чем время жизни-гиперона, энерговыделение при распаде к-рого составляет ~100 МэВ. Сечение взаимодействия с нуклонами для нейтрино с энергией ~100 ГэВ прибл. в миллион раз больше, чем для нейтрино с энергией ~1 МэВ. По теоретич. представлениям, рост сечения продлится до энергий порядка неск. сотен ГэВ (в системе центра инерции сталкивающихся частиц). При этих энергиях и при больших передачах импульсов проявляются эффекты, связанные с существованием промежуточных векторных бозонов . На расстояниях между сталкивающимися частицами, много меньших 2*10 -16 см (комптоновской длины волны промежуточных бозонов), С. в. и эл--магн. взаимодействия имеют практически одинаковую интенсивность.
Наиб. распространённый процесс, обусловленный С. в.,- бета-распад радиоактивных атомных ядер. В 1934 Э. Ферми (Е. Fermi) построил теорию-распада, к-рая с нек-рыми существ. модификациями легла в основу последующей теории т. н. универсального локального четырёхфермионного С. в. (взаимодействия Ферми). Согласно теории Ферми, электрон и нейтрино (точнее, ), вылетающие из-радиоактивного ядра, не находились в нём до этого, а возникли в момент распада. Это явление аналогично испусканию фотонов низкой энергии (видимого света) возбуждёнными атомами или фотонов высокой энергии (-квантов) возбуждёнными ядрами. Причиной таких процессов является взаимодействие электрич. частиц с эл--магн. полем: движущаяся заряженная частица создаёт электромагнитный ток, к-рый возмущает эл--магн. поле; в результате взаимодействия частица передаёт энергию квантам этого поля - фотонам. Взаимодействие фотонов с эл--магн. током описывается выражениемА . Здесь е - элементарный электрич. заряд, являющийся константой эл--магн. взаимодействия (см. Константа взаимодействия), А - оператор фотонного поля (т. е. оператор рождения и уничтожения фотона), j эм - оператор плотности эл--магн. тока. (Часто в выражение для эл--магн. тока включают также множитель е .)В j эм дают вклад все заряж. частицы. Напр., слагаемое, отвечающее электрону, имеет вид:, где- оператор уничтожения электрона или рождения позитрона, а- оператор рождения электрона или уничтожения позитрона. [Выше для упрощения не показано, что j эм, так же как А , является четырёхмерным вектором. Более точно, вместо следует писать совокупность четырёх выражений где - Дирака матрицы, = 0, 1, 2, 3. Каждое из этих выражений умножается на соответствующую компоненту четырёхмерного вектора.]
Взаимодействие описывает не только испускание и поглощение фотонов электронами и позитронами, но и такие процессы, как рождение фотонами электрон-позитронных пар (см. Рождение пар )или аннигиляция этих пар в фотоны. Обмен фотоном между двумя заряж. частицами приводит к взаимодействию их друг с другом. В результате возникает, напр., рассеяние электрона протоном, к-рое схематически изображается Фейнмана диаграммой , представленной на рис. 1. При переходе протона в ядре с одного уровня на другой это же взаимодействие может привести к рождению электрон-позитронной пары (рис. 2).
Теория-распада Ферми по существу аналогична теории эл--магн. процессов. Ферми положил в основу теории взаимодействие двух «слабых токов» (см. Ток в квантовой теории поля), но взаимодействующих между собой не на расстоянии путём обмена частицей - квантом поля (фотоном в случае эл--магн. взаимодействия), а контактно. Это взаимодействие между четырьмя фермионными полями (четырьмя фермионами р, п, е и нейтрино v) в совр. обозначениях имеет вид: . Здесь G F - константа Ферми, или константа слаоого четырёхфермионного взаимодействия, эксперим. значение к-рой эрг*см 3 (величина имеет размерность квадрата длины, и в единицах константа, где М - масса протона),- оператор рождения протона (уничтожения антипротона),- оператор уничтожения нейтрона (рождения антинейтрона),- оператор рождения электрона (уничтожения позитрона), v - оператор уничтожения нейтрино (рождения антинейтрино). (Здесь и в дальнейшем операторы рождения и уничтожения частиц обозначены символами соответствующих частиц, набранными полужирным шрифтом.) Ток, переводящий нейтрон в протон, получил впоследствии название нуклонного, а ток - лептонного. Ферми постулировал, что, подобно эл--магн. току, слабые токи также являются четырёхмерными векторами: Поэтому взаимодействие Ферми наз. векторным.

Подобно рождению электрон-позитронной пары (рис. 2),-распад нейтрона может быть описан похожей диаграммой (рис. 3) [античастицы помечены значком «тильда»над символами соответствующих частиц]. Взаимодействие лептонного и нуклонного токов должно приводить и к др. процессам, напр. к реакции (рис. 4), к пар (рис. 5) и и т. д.
Существ. отличием слабых токов иот электромагнитного является то, что слабый ток меняет заряд частиц, в то время как эл--магн. ток не меняет: слабый ток превращает нейтрон в протон, электрон в нейтрино, а электромагнитный оставляет протон протоном, а электрон электроном. Поэтому слабые токии ev наз. заряженными токами . Согласно такой термин логии, обычный эл--магн. ток ее является нейтральным током .
Теория Ферми опиралась на результаты исследований в трёх разл. областях: 1) эксперим. исследования собственно С. в. (-распад), приведшие к гипотезе о существовании нейтрино; 2) эксперим. исследования сильного взаимодействия (), приведшие к открытию протонов и нейтронов и к пониманию того, что ядра состоят из этих частиц; 3) эксперим. и теоретич. исследования эл--магн. взаимодействия, в результате к-рых бил заложен фундамент квантовой теории поля. Дальнейшее развитие физики элементарных частиц неоднократно подтверждало плодотворную взаимозависимость исследований сильного, слабого и эл--магн. взаимодействий.
Теория универсального четырёхфермионного С. в. отличается от теории Ферми в ряде существ, пунктов. Эти отличия, установленные за последующие годы в результате изучения элементарных частиц, свелись к следующему.
Гипотеза о том, что С. в. не сохраняет чётность, была выдвинута Ли Цзундао (Lee Tsung-Dao) и Янг Чженьнином (Yang Chen Ning) в 1956 при теоретич. исследовании распадов К-мезонов ; вскоре несохранение Р - и С-чётностей было обнаружено экспериментально в-распаде ядер [ By Цзяньсун (Wu Chien-Shiung) с сотрудниками], в распаде мюона [Р. Гарвин (R. Garwin), Л. Ледерман (L. Lederman), В. Телегди (V. Telegdi), Дж. Фридман (J. Friedman) и др.] и в распадах др. частиц.
Обобщая огромный эксперим. материал, М. Гелл-Ман (М. Gell-Mann), P. Фейнман (R. Feynman), P. Маршак (R. Marshak) и Э. Сударшан (Е. Sudarshan) в 1957 предложили теорию универсального С. в.- т. н. V - А -теорию. В формулировке, основанной на кварковой структуре адронов, эта теория заключается в том, что полный слабый заряженный ток j u является суммой лептонных и кварковых токов, причём каждый из этих элементарных токов содержит одну и ту же комбинацию дираковских матриц:
Как выяснилось впоследствии, заряж. лептонный ток, представленный в теории Ферми одним членом, является суммой трёх слагаемых: причём каждый из известных заряж. лептонов (электрон, мюон и тяжёлый лептон )входит в заряж. ток со своим нейтрино .
Заряж. адронный ток, представленный в теории Ферми членом, является суммой кварковых токов. К 1992 известнопять типов кварков , из к-рых построены все известные адроны, и предполагается существование шестого кварка (t с Q = + 2 / 3). Заряженные кварковые токи, так же как и лептонные токи, обычно записывают в виде суммы трёх слагаемых:
Однако здесь являются линейными комбинациями операторов d, s, b , так что кварковый заряженный ток состоит из девяти слагаемых. Каждый из токов является суммой векторного и аксиального токов с коэффициентами, равными единице.
Коэффициенты девяти заряженных кварковых токов обычно представляют в виде матрицы 3x3, к-рая параметризуется тремя углами и фазовым множителем, характеризующим нарушение СР-инвариантности в слабых распадах. Эта матрица получила назв. матрицы Кобаяши - Маскавы (М. Kobayashi, T. Maskawa).
Лагранжиан С. в. заряженных токов имеет вид:
Еде- ток, сопряжённый и т. д.). Такое взаимодействие заряженных токов количественно описывает огромное число слабых процессов: лептонных , полулептонных ( и т. д.) и нелептонных ( ,, и т. д.). Многие из этих процессов были открыты после 1957. За этот период были открыты также два принципиально новых явления: нарушение СР-инвариантности и нейтральные токи.
Нарушение СР-инвариантности было обнаружено в 1964 в эксперименте Дж. Кристепсона (J. Christenson), Дж. Кронина (J. Cronin), В. Фитча (V. Fitch) и Р. Тёрли (R. Turley), к-рые наблюдали распад долгоживущих К°-мезонов на два-мезона. Позднее нарушение СР-инвариантности наблюдалось также в полулептонных распадах. Для выяснения природы СР-неинвариантного взаимодействия было бы крайне важным найти к--л. СР-неинвариантный процесс в распадах или взаимодействиях др. частиц. В частности, большой интерес представляют поиски дипольного момента нейтрона (наличие к-рого означало бы нарушение инвариантности относительно обращения времени , а следовательно, согласно теореме СРТ , и СР-инвариантности).
Существование нейтральных токов было предсказано единой теорией слабого и эл--магн. взаимодействий, созданной в 60-х гг. Ш. Глэшоу (Sh. Glashow), С. Вайнбергом (S. Weinberg), А. Саламом (A. Salam) и др. и позднее получившей назв. стандартной теории электрослабого взаимодействия. Согласно этой теории, С. в. не является контактным взаимодействием токов, а происходит путём обмена промежуточными векторными бозонами (W + , W - , Z 0 )- массивными частицами со спином 1. При этом-бозоны осуществляют взаимодействие заряж. токов (рис. 6), а Z 0 -бозоны - нейтральных (рис. 7). В стандартной теории три промежуточных бозона и фотон являются квантами векторных, т. н. калибровочных полей , выступающими при асимптотически больших передачах четырёхмерного импульса ( , m z , где m w , m z - массы W - и Z-бозонов в энергетич. единицах) совершенно равноправно. Нейтральные токи были обнаружены в 1973 во взаимодействии нейтрино и антинейтрино с нуклонами. Позднее были найдены процессы рассеяния мюонного нейтрино на электроне, а также эффекты несохранения чётности во взаимодействии электронов с нуклонами, обусловленные электронным нейтральным током (эти эффекты впервые наблюдались в опытах по несохранению чётности при атомных переходах, проведённых в Новосибирске Л. М. Барковым и М. С. Золоторёвым, а также в экспериментах по рассеянию электронов на протонах и дейтронах в США).
Взаимодействие нейтральных токов описывается соответствующим членом в лагранжиане С. в.:
где - безразмерный параметр. В стандартной теории (эксперим. значение р совпадает с 1 в пределах одного процента эксперим. точности и точности расчёта радиационных поправок) . Полный слабый нейтральный ток содержит вклады всех лептонов и всех кварков:
Очень важным свойством нейтральных токов является то, что они диагональны, т. е. переводят лептоны (и кварки) самих в себя, а не в др. лептоны (кварки), как в случае заряженных токов. Каждый из 12 кварковых и лептонных нейтральных токов представляет собой линейную комбинацию аксиального тока с коэф. I 3 и векторного тока с коэф. , где I 3 - третья проекция т. н. слабого изотопического спина , Q - заряд частицы, а - Вайнберга угол .
Необходимость существования четырёх векторных полей промежуточных бозонов W + , W - , Z 0 и фотона А можно пояснить след. образом. Как известно, в эл--магн. взаимодействии электрич. заряд играет двойную роль: с одной стороны, он является сохраняющейся величиной, а с другой - источником эл--магн. поля, осуществляющего взаимодействие между заряженными частицами (константа взаимодействия е) . Такая роль электрич. заряда обеспечивается калибровочной , заключающейся в том, что ур-ния теории не меняются, когда волновые ф-ции заряженных частиц умножаются на произвольный фазовый множитель , зависящий от пространственно-временной точки [локальная симметрия U(1 )], и при этом эл--магн. поле, являющееся калибровочным, подвергается преобразованию . Преобразования локальной группы U(1 )с одним типом заряда и одним калибровочным полем коммутируют друг с другом (такая группа наз. абелевой). Указанное свойство электрич. заряда послужило исходным пунктом для построения теорий и др. типов взаимодействий. В этих теориях сохраняющиеся величины (напр., изотопич. спин) являются одновременно источниками нек-рых калибровочных полей, переносящих взаимодействие между частицами. В случае неск. типов «зарядов» (напр., разл. проекций изотопич. спина), когда отд. преобразования не коммутируют друг с другом (неабелева группа преобразований), оказывается необходимым введение неск. калибровочных полей. (Мультиплеты калибровочных полей, отвечающих локальным неабелевым симметриям, наз. Янга - Миллса полями .)В частности, чтобы изотопич. спин [к-рому отвечает локальная группа SU(2)] выступал в качестве константы взаимодействия, необходимы три калибровочных поля с зарядами1 и 0. Т. к. в С. в. участвуют заряженные токи пар частиц и т. д., то полагают, что эти пары являются дублетами группы слабого изоспина, т. е. группы SU(2) . Инвариантность теории относительно локальных преобразований группы SU (2) требует, как отмечалось, существования триплета безмассовых калибровочных полей W + , W - , W 0 , источником к-рых является слабый изоспин (константа взаимодействия g) . По аналогии с сильным взаимодействием, в к-ром гиперзаряд Y частицы, входящей в изотопич. мультиплет, определяется ф-лой Q = I 3 + Y/2 (где I 3 - третья проекция изоспина, a Q - электрич. заряд), наряду со слабым изоспином вводят слабый гиперзаряд. Тогда сохранению электрич. заряда и слабого изоспина отвечает сохранение слабого гиперзаряда [группа [U (1)]. Слабый гиперзаряд является источником нейтрального калибровочного поля В 0 (константа взаимодействия g") . Две взаимно ортогональные линейные суперпозиции полей В° и W° описывают поле фотона А и поле Z-бозона:
где . Именно величина угла определяет структуру нейтральных токов. Она же определяет связь между константой g , характеризующей взаимодействие-бозонов со слабым током, и константой е , характеризующей взаимодействие фотона с электрич. током:
Для того чтобы С. в. носило короткодействующий характер, промежуточные бозоны должны быть массивными, в то время как кванты исходных калибровочных полей - - безмассовые. Согласно стандартной теории, возникновение массы у промежуточных бозонов происходит при спонтанном нарушении симметрии SU(2) X U(1 )до U(1) эм . При этом одна из суперпозиций полей В 0 и W 0 - фотон (А ) остаётся безмассовой, а- и Z-бозоны приобретают массы:
Эксперим. данные по нейтральным токам давали . Этому отвечали ожидаемые массы W -и Z-бозонов соответственно и
Для обнаружения W - и Z-бозонов созданы спец. установки, в к-рых эти бозоны рождаются при столкновениях встречных пучкови высокой энергии. Первая-установка вступила в строй в 1981 в ЦЕРНе. В 1983 появились сообщения о детектировании в ЦЕРНе первых случаев рождения промежуточных векторных бозонов. В 1989 были опубликованы данные о рождении W - и Z -бозонов на американском протон-антипротонном коллайдере - Тэватроне, в Фермиевской национальной ускорительной лаборатории (FNAL). К кон. 1980-х гг. полное число W - и Z-бозонов, наблюдавшихся на протон-антипротонных коллайдерах в ЦЕРНе и FNAL, исчислялось сотнями.
В 1989 заработали электрон-позитроиные коллайдеры LEP в ЦЕРНе и SLC в Стэнфордском линейном ускорительном центре (SLAC). Особенно успешной оказалась работа LEP, где к началу 1991 было зарегистрировано более полумиллиона случаев рождения и распада Z-бозонов. Изучение распадов Z-бозонов показало, что никаких других нейтрино, кроме известных ранее , в природе не существует. С высокой точностью была измерена масса Z-бозона: т z = 91,173 0,020 ГэВ (масса W-бозона известна с существенно худшей точностью: m w = 80,220,26 ГэВ). Изучение свойств W - и Z-бозонов подтвердило правильность основной (калибровочной) идеи стандартной теории электрослабого взаимодействия. Однако для проверки теории в полном объёме необходимо также экспериментально исследовать механизм спонтанного нарушения симметрии. В рамках стандартной теории источником спонтанного нарушения симметрии является специальное изодублетное скалярное поле , обладающее специфич. самодействием, где - безразмерная константа, а константа h имеет размерность массы. Минимум энергии взаимодействия достигается при, и, т, о., низшее энергетич. состояние - вакуум - содержит ненулевое вакуумное значение поля. Если этот механизм нарушения симметрии действительно осуществляется в природе, то должны существовать элементарные скалярные бозоны - т. н. Хиггса бозон (кванты поля Хиггса). Стандартная теория предсказывает существование как минимум одного скалярного бозона (он должен быть нейтрален). В более сложных вариантах теории имеется неск. таких частиц, причём нек-рые из них - заряженные (при этом возможно). В отличие от промежуточных бозонов массы хиггсовых бозонов теорией не предсказываются.
Калибровочная теория электрослабого взаимодействия перенормируема: это означает, в частности, что амплитуды слабых и эл--магн. процессов можно вычислять по теории возмущений, причём высшие поправки малы, как в обычной квантовой (см. Перенормируемость ).(В отличие от этого четырёх-фермионная теория С. в. неперенормируема и не является внутренне непротиворечивой теорией.)
Существуют теоретич. модели Великого объединения , в к-рых как группа электрослабого взаимодействия, так и группа SU(3 )сильного взаимодействия являются подгруппами единой группы, характеризующейся единой константой калибровочного взаимодействия. В ещё более фундам. моделях эти взаимодействия объединяются с гравитационными (т. н. суперобъединение ).
Лит.: В у Ц. С., Мошковский С. А., Бета-распад, пер. с англ., М., 1970; Вайнберг С., Единые теории взаимодействия элементарных частиц, пер. с англ., «УФН», 1976, т. 118, в. 3, с. 505; Тейлор Д ж., Калибровочные теории слабых взаимодействий, пер. с англ., М., 1978; На пути к единой теории поля. Сб. ст., переводы, М., 1980; Окунь Л. Б., Лептоны и кварки, 2 изд., М., 1990. Л. Б. Окунь .