Dette er den tredje grunnleggende interaksjonen, som bare eksisterer i mikrokosmos. Det er ansvarlig for transformasjonen av noen fermionpartikler til andre, mens fargen på svakt samvirkende peptoner og kvarker ikke endres. Et typisk eksempel på svak interaksjon er prosessen med beta-nedbrytning, hvor et fritt nøytron forfaller til et proton, et elektron og et elektron-antinøytrino i løpet av gjennomsnittlig 15 minutter. Forfallet er forårsaket av transformasjonen av en kvark med smak d til en kvark med smak u inne i nøytronet. Det utsendte elektronet sørger for bevaring av den totale elektriske ladningen, og antinøytrinoen gjør at systemets totale mekaniske momentum kan bevares.
Sterk interaksjon
Hovedfunksjon sterk interaksjon- kombinere kvarker og antikvarker til hadroner. Teorien om sterke interaksjoner er i ferd med å bli til. Det er en typisk feltteori og kalles kvantekromodynamikk. Utgangspunktet er postulatet om eksistensen av tre typer fargeladninger (rød, blå, grønn), som uttrykker materiens iboende evne til å forene kvarker i sterk interaksjon. Hver av kvarkene inneholder en kombinasjon av slike ladninger, men deres fullstendige gjensidige kompensasjon skjer ikke, og kvarken har en resulterende farge, det vil si at den beholder evnen til å samhandle sterkt med andre kvarker. Men når tre kvarker, eller en kvark og en antikvark, kombineres for å danne en hadron, er nettokombinasjonen av fargeladninger i den slik at hadronen som helhet er fargenøytral. Fargeladninger skaper felt med sine iboende kvanter - bosoner. Utvekslingen av virtuelle fargebosoner mellom kvarker og/eller antikvarker fungerer som det materielle grunnlaget for det sterke samspillet. Før oppdagelsen av kvarker og fargeinteraksjoner ble kjernekraften som forener protoner og nøytroner i atomkjernene ansett som grunnleggende. Med oppdagelsen av materiens kvarknivå begynte den sterke interaksjonen å bli forstått som fargeinteraksjoner mellom kvarker som kombinert til hadroner. Atomkrefter anses ikke lenger som grunnleggende de må på en eller annen måte uttrykkes gjennom fargede krefter. Men dette er ikke lett å gjøre, fordi baryonene (protoner og nøytroner) som utgjør kjernen er generelt fargenøytrale. I analogi kan vi huske at atomer som helhet er elektrisk nøytrale, men på molekylært nivå oppstår kjemiske krefter, betraktet som ekko av elektriske atomkrefter.
De fire typene fundamentale interaksjoner som vurderes ligger til grunn for alle andre kjente former for materiebevegelse, inkludert de som oppsto på høyere nivåer utvikling. Noen komplekse former bevegelser, når de dekomponeres til strukturelle komponenter, avsløres som komplekse modifikasjoner av disse grunnleggende interaksjonene.
2. Utvikling av vitenskapelige synspunkter på samspillet mellom partikler før den evolusjonære skapelsen av teorien om "den store foreningen"
"Grand Unification"-teorien er en teori som forener elektromagnetiske, sterke og svake interaksjoner. Når vi nevner teorien om den "store foreningen", snakker vi om det faktum at alle kreftene som eksisterer i naturen er en manifestasjon av en universell grunnleggende kraft. Det er en rekke betraktninger som gir grunn til å tro at i øyeblikket av Big Bang, som fødte universet vårt, eksisterte bare denne kraften. Imidlertid utvidet universet seg over tid, noe som betyr at det ble avkjølt, og den enkelte kraften delte seg i flere forskjellige, som vi nå observerer. "Grand Unification"-teorien vil beskrive de elektromagnetiske, sterke, svake og gravitasjonskreftene som manifestasjoner av en universell kraft. Det har allerede vært en viss fremgang: forskere har klart å konstruere en teori som kombinerer elektromagnetiske og svake interaksjoner. Hovedarbeidet med teorien om den "store foreningen" er imidlertid fortsatt foran.
Moderne partikkelfysikk er tvunget til å diskutere spørsmål som faktisk bekymret gamle tenkere. Hva er opprinnelsen til partikler og kjemiske atomer bygget fra disse partiklene? Og hvordan kan kosmos, universet som er synlig for oss, bygges av partikler, uansett hva vi kaller dem? Og også – ble universet skapt, eller har det eksistert fra evighet? Hvis man kan spørre dette, hva er tankeveiene som kan føre til overbevisende svar? Alle disse spørsmålene ligner på søket etter de sanne prinsippene for eksistens, spørsmål om naturen til disse prinsippene.
Uansett hva vi sier om Space, er én ting klart at alt i naturlig verden på en eller annen måte består av partikler. Men hvordan forstå denne komposisjonen? Det er kjent at partikler samhandler - de tiltrekker eller frastøter hverandre. Partikkelfysikk studerer en rekke interaksjoner. [Popper K. Om kildene til kunnskap og uvitenhet // Vopr. naturvitenskap og teknologihistorie, 1992, nr. 3, s. 32.]
Elektromagnetisk interaksjon vakte spesiell oppmerksomhet på 1700-–1800-tallet. Likheter og forskjeller mellom elektromagnetiske og gravitasjonsinteraksjoner ble oppdaget. Som tyngdekraften er elektromagnetiske krefter omvendt proporsjonale med kvadratet på avstanden. Men, i motsetning til tyngdekraften, tiltrekker elektromagnetisk "tyngdekraft" ikke bare partikler (ulike ladningstegn), men frastøter dem også fra hverandre (like ladede partikler). Og ikke alle partikler er bærere av elektrisk ladning. For eksempel er fotonet og nøytronet nøytrale i denne forbindelse. På 50-tallet år XIX V. elektromagnetisk teori om D. C. Maxwell (1831–1879) forent elektrisk og magnetiske fenomener og dermed klargjort virkningen av elektromagnetiske krefter. [Grünbaum A. Opprinnelse versus skapelse i fysisk kosmologi (teologiske forvrengninger av moderne fysisk kosmologi). - Spørsmål. Filosofi, 1995, nr. 2, s. 19.]
Studiet av radioaktivitetsfenomener førte til oppdagelsen spesiell type interaksjon mellom partikler, som kalles den svake interaksjonen. Siden denne oppdagelsen er relatert til studiet av beta-radioaktivitet, kan man kalle denne interaksjonen beta-forfall. I den fysiske litteraturen er det imidlertid vanlig å snakke om svak interaksjon - den er svakere enn elektromagnetisk interaksjon, men mye sterkere enn gravitasjonsinteraksjon. Oppdagelsen ble tilrettelagt av forskningen til W. Pauli (1900–1958), som spådde at under beta-forfall frigjøres en nøytral partikkel, som kompenserer for det tilsynelatende bruddet på loven om bevaring av energi, kalt en nøytrino. Og i tillegg ble oppdagelsen av svake interaksjoner tilrettelagt av forskningen til E. Fermi (1901–1954), som sammen med andre fysikere antydet at elektroner og nøytrinoer, før deres avgang fra den radioaktive kjernen, ikke eksisterer i kjerne, så å si, i en ferdig form, men dannes under strålingsprosessen. [Grünbaum A. Opprinnelse versus skapelse i fysisk kosmologi (teologiske forvrengninger av moderne fysisk kosmologi). - Spørsmål. Filosofi, 1995, nr. 2, s. 21.]
Til slutt viste den fjerde interaksjonen seg å være assosiert med intranukleære prosesser. Kalt den sterke interaksjonen, manifesterer den seg som tiltrekningen av intranukleære partikler - protoner og nøytroner. På grunn av sin store størrelse viser det seg å være en kilde til enorm energi.
Studiet av de fire typene interaksjoner fulgte veien til å søke etter deres dype forbindelse. På denne uklare, stort sett mørke banen var det bare symmetriprinsippet som ledet forskningen og førte til identifiseringen av den antatte forbindelsen forskjellige typer interaksjoner.
For å identifisere slike forbindelser var det nødvendig å vende seg til et søk etter en spesiell type symmetrier. Et enkelt eksempel Denne typen symmetri kan representeres av avhengigheten av arbeidet som utføres når du løfter en last på løftehøyden. Energiforbruket avhenger av høydeforskjellen, men avhenger ikke av oppstigningsveiens art. Bare høydeforskjellen er signifikant og det spiller ingen rolle fra hvilket nivå vi starter målingen. Vi kan si at vi her har å gjøre med symmetri med hensyn til valg av opprinnelse.
På lignende måte kan du beregne bevegelsesenergien til en elektrisk ladning i et elektrisk felt. Analogen av høyde her vil være feltspenning eller, med andre ord, elektrisk potensial. Energien som brukes under ladningsbevegelse vil kun avhenge av potensialforskjellen mellom slutt- og startpunkt i feltrommet. Vi har her å gjøre med den såkalte gauge eller, med andre ord, skalasymmetri. Målersymmetri referert til elektrisk felt, er nært knyttet til loven om bevaring av elektrisk ladning.
Målesymmetri viste seg å være det viktigste verktøyet, noe som ga opphav til muligheten for å løse mange vanskeligheter i teorien om elementærpartikler og i en rekke forsøk på å forene ulike typer interaksjoner. I kvanteelektrodynamikk for eksempel oppstår ulike divergenser. Det er mulig å eliminere disse divergensene på grunn av det faktum at den såkalte renormaliseringsprosedyren, som eliminerer vanskelighetene med teorien, er nært knyttet til målersymmetri. Ideen ser ut til at vanskelighetene med å konstruere en teori om ikke bare elektromagnetiske, men også andre interaksjoner kan overvinnes hvis andre, skjulte symmetrier kan bli funnet.
Målersymmetri kan få en generalisert karakter og kan tilskrives et hvilket som helst kraftfelt. På slutten av 1960-tallet. S. Weinberg (f. 1933) fra Harvard University og A. Salam (f. 1926) fra Imperial College i London, basert på arbeidet til S. Glashow (f. 1932), foretok en teoretisk forening av elektromagnetiske og svake interaksjoner. De brukte ideen om målersymmetri og konseptet med et målefelt knyttet til denne ideen. [Yakushev A. S. Grunnleggende konsepter for moderne naturvitenskap. – M., Fakt-M, 2001, s. 29.]
Gjelder for elektromagnetisk interaksjon enkleste formen måle symmetri. Det viste seg at symmetrien til den svake interaksjonen er mer kompleks enn den til den elektromagnetiske interaksjonen. Denne kompleksiteten skyldes kompleksiteten i selve prosessen, så å si mekanismen for svak interaksjon.
I prosessen med svak interaksjon oppstår for eksempel nøytronnedbrytning. Partikler som nøytron, proton, elektron og nøytrino kan delta i denne prosessen. På grunn av svak interaksjon skjer dessuten gjensidig transformasjon av partikler.
Konseptuelle bestemmelser i teorien om "Grand Unification"
I moderne teoretisk fysikk Tonen er satt av to nye konseptuelle ordninger: den såkalte "Grand Unification"-teorien og supersymmetri.
Disse vitenskapelige trendene fører sammen til en veldig attraktiv idé, ifølge hvilken hele naturen til slutt er underlagt handlingen fra en eller annen supermakt, og manifesterer seg i forskjellige "skikkninger". Denne kraften er kraftig nok til å skape universet vårt og gi det lys, energi, materie og gi det struktur. Men superkraft er mer enn bare en kreativ kraft. I den er materie, rom-tid og interaksjon smeltet sammen til en uatskillelig harmonisk helhet, og genererer en slik enhet av universet som ingen tidligere hadde forestilt seg. Hensikten med vitenskapen er i hovedsak søket etter slik enhet. [Ovchinnikov N.F. Struktur og symmetri // System Research, M., 1969, s. 137.]
Basert på dette er det en viss tillit til foreningen av alle fenomener av levende og livløs natur innenfor rammen av et enkelt beskrivende opplegg. I dag er fire grunnleggende vekselvirkninger eller fire krefter i naturen kjent, ansvarlige for alle kjente vekselvirkninger av elementærpartikler - sterke, svake, elektromagnetiske og gravitasjonsvekselvirkninger. Sterke interaksjoner binder kvarker sammen. Svake interaksjoner er ansvarlige for noen typer kjernefysisk forfall. Elektromagnetiske krefter virker mellom elektriske ladninger, og gravitasjonskrefter virker mellom masser. Tilstedeværelsen av disse interaksjonene er en tilstrekkelig og nødvendig betingelse for å bygge verden rundt oss. For eksempel, uten tyngdekraften, ville det ikke bare være galakser, stjerner og planeter, men universet kunne ikke ha oppstått - tross alt er selve konseptene om det ekspanderende universet og Big Bang, som rom-tid stammer fra, basert på på tyngdekraften. Uten elektromagnetiske interaksjoner ville det ikke vært noen atomer, ingen kjemi eller biologi, og ingen solvarme eller lys. Uten sterke kjernefysiske interaksjoner ville ikke kjerner eksistert, og derfor ville ikke atomer og molekyler, kjemi og biologi eksistert, og stjerner og sola ville ikke være i stand til å generere varme og lys ved hjelp av kjerneenergi.
Selv svake kjernefysiske interaksjoner spiller en rolle i dannelsen av universet. Uten dem ville kjernefysiske reaksjoner i solen og stjernene tilsynelatende vært umulige, supernovaeksplosjoner ville ikke forekomme og de tunge elementene som er nødvendige for liv, kunne ikke spre seg over hele universet. Livet har kanskje ikke oppstått. Hvis vi er enige med den oppfatning at alle disse fire er helt ulike interaksjoner, som hver er nødvendig på sin egen måte for fremveksten komplekse strukturer og bestemme utviklingen av hele universet genereres av en enkelt enkel supermakt, deretter tilstedeværelsen av en enkelt grunnleggende lov som virker både i levende og i livløs natur, det er ingen tvil. Moderne forskning viser at disse fire kreftene en gang kan ha blitt kombinert til én.
Dette var mulig ved de enorme energiene som var karakteristiske for epoken med det tidlige universet kort tid etter det store smellet. Faktisk er teorien om forening av elektromagnetiske og svake interaksjoner allerede bekreftet eksperimentelt. "Grand Unification"-teoriene bør kombinere disse interaksjonene med de sterke, og "Alt som er"-teoriene bør forene alle fire grunnleggende interaksjoner som manifestasjoner av én interaksjon. Universets termiske historie, fra 10–43 sek. etter Big Bang til i dag, viser det mest av helium-4, helium-3, deuteroner (kjerner av deuterium - en tung isotop av hydrogen) og litium-7 ble dannet i universet omtrent 1 minutt etter Big Bang.
Tyngre grunnstoffer dukket opp inne i stjerner titalls millioner eller milliarder av år senere, og fremveksten av liv tilsvarer det siste stadiet av det utviklende universet. Basert på den teoretiske analysen og resultatene av datamodellering av dissipative systemer som opererer langt fra likevekt, under påvirkning av en kode-frekvens lavenergistrøm, konkluderte vi med at det er to parallelle prosesser i universet - entropi og informasjon. Dessuten er den entropiske prosessen med å omdanne materie til stråling ikke dominerende. [Soldatov V.K. Teorien om den "store foreningen". – M., Etterskrift, 2000, s. 38.]
Under disse forholdene oppstår en ny type evolusjonær selvorganisering av materie, som forbinder den koherente spatiotemporale oppførselen til systemet med dynamiske prosesser i selve systemet. Deretter, på universets skala, vil denne loven formuleres som følger: "Hvis Big Bang førte til dannelsen av 4 grunnleggende interaksjoner, er den videre utviklingen av rom-tidsorganisasjonen til universet assosiert med deres forening. ” Derfor, etter vårt syn, må loven om økende entropi ikke brukes på individuelle deler av universet, men på hele prosessen med dets utvikling. I øyeblikket av dannelsen viste universet seg å være kvantisert i rom-tid hierarkinivåer, som hver tilsvarer en av de grunnleggende interaksjonene. Den resulterende fluktuasjonen, oppfattet som et ekspanderende bilde av universet, begynner på et bestemt tidspunkt å gjenopprette likevekten. Prosessen med videre evolusjon skjer i et speilbilde.
Med andre ord, to prosesser skjer samtidig i det observerbare universet. En prosess - anti-entropi - er assosiert med gjenoppretting av forstyrret likevekt, gjennom selvorganisering av materie og stråling til makrokvantetilstander (som fysisk eksempel vi kan sitere slike velkjente tilstander av materie som superfluiditet, superledning og kvante Hall-effekten). Denne prosessen bestemmer tilsynelatende den konsekvente utviklingen av prosesser termonukleær fusjon i stjerner, dannelsen av planetsystemer, mineraler, flora, encellede og flercellede organismer. Dette følger automatisk den selvorganiserende orienteringen til det tredje prinsippet om den progressive utviklingen av levende organismer.
Den andre prosessen er rent entropisk i naturen og beskriver prosessene med syklisk evolusjonær overgang av selvorganiserende materie (forfall - selvorganisering). Det er mulig at disse prinsippene kan tjene som grunnlag for å skape et matematisk apparat som lar oss kombinere alle fire interaksjoner til én superkraft. Som allerede nevnt, er dette problemet de fleste teoretiske fysikere for tiden er opptatt av. Ytterligere argumentasjon av dette prinsippet går langt utenfor rammen av denne artikkelen og er forbundet med konstruksjonen av teorien om evolusjonær selvorganisering av universet. La oss derfor trekke hovedkonklusjonen og se hvor anvendelig den er for biologiske systemer, prinsippene for deres kontroll, og viktigst av alt, for nye teknologier for behandling og forebygging av patologiske tilstander i kroppen. Først av alt vil vi være interessert i prinsippene og mekanismene for å opprettholde selvorganisering og evolusjon av levende organismer, så vel som årsakene til deres brudd, manifestert i form av alle slags patologier.
Den første av dem er prinsippet om kodefrekvenskontroll, hvis hovedformål er å opprettholde, synkronisere og kontrollere energistrømmer innenfor ethvert åpent selvorganiserende dissipativt system. Implementeringen av dette prinsippet for levende organismer krever tilstedeværelsen på hvert strukturelt hierarkisk nivå av et biologisk objekt (molekylært, subcellulært, cellulært, vev, organoid, organisme, populasjon, biokenotisk, biotisk, landskap, biosfære, kosmisk) tilstedeværelse av en biorytmisk prosess assosiert med forbruket og forbruket av den transformerte energien, som bestemmer aktiviteten og sekvensen av prosesser i systemet. Denne mekanismen inntar en sentral plass i de tidlige stadiene av livets fremvekst i prosessene for dannelse av DNA-struktur og prinsippet om reduplisering av diskrete koder for arvelig informasjon, så vel som i prosesser som celledeling og påfølgende differensiering. Som du vet, skjer celledelingsprosessen alltid i en streng sekvens: profase, metafase, telofase og deretter anafase. Du kan bryte vilkårene for deling, forstyrre den, til og med fjerne kjernen, men sekvensen vil alltid bli bevart. Uten tvil er kroppen vår utstyrt med de mest perfekte synkronisatorene: et nervesystem som er følsomt for de minste endringer i ytre og Internt miljø, tregere humoristisk system. Samtidig lever tøffelen, i fullstendig fravær av nerve- og humorsystemet, liv, mater, utskiller, reproduserer, og alle disse komplekse prosessene skjer ikke kaotisk, men i streng rekkefølge: enhver reaksjon forutbestemmer den neste, og som igjen frigjør produkter , som er nødvendige for å starte neste reaksjon. [Soldatov V.K. Teorien om den "store foreningen". – M., Etterskrift, 2000, s. 59.]
Det bør bemerkes at Einsteins teori markerte et så viktig fremskritt i forståelsen av naturen at en revisjon av syn på andre naturkrefter snart ble uunngåelig. På dette tidspunktet var den eneste "andre" kraften hvis eksistens var fast etablert elektromagnetisk interaksjon. Utad lignet den imidlertid ikke på tyngdekraften i det hele tatt. Dessuten, flere tiår før opprettelsen av Einsteins gravitasjonsteori, ble elektromagnetisme vellykket beskrevet av Maxwells teori, og det var ingen grunn til å tvile på gyldigheten av denne teorien.
Gjennom hele livet drømte Einstein om å skape enhetlig teori et felt der alle naturkreftene ville smelte sammen på grunnlag av ren geometri. Einstein viet mesteparten av livet sitt til søket etter et slikt opplegg etter å ha laget den generelle relativitetsteorien. Men ironisk nok var personen som kom nærmest til å realisere Einsteins drøm den lite kjente polske fysikeren Theodor Kaluza, som tilbake i 1921 la grunnlaget for en ny og uventet tilnærming til foreningen av fysikk, som fortsatt forbløffer fantasien med sin frekkhet. .
Med oppdagelsen av svake og sterke interaksjoner på 30-tallet av 1900-tallet mistet ideene om å forene tyngdekraften og elektromagnetismen i stor grad sin attraktivitet. En konsistent enhetlig feltteori burde ikke ha inkludert to, men fire krefter. Dette kunne åpenbart ikke gjøres uten å oppnå en dyp forståelse av svake og sterke interaksjoner. På slutten av 1970-tallet, takket være den friske vinden brakt av Grand Unified Theories (GUT) og supergravitasjon, ble den gamle Kaluza-Klein-teorien husket. De "blåste av støvet, kledde det opp i mote" og inkluderte i det alle interaksjonene som er kjent til dags dato.
I GUT klarte teoretikere å samle tre vidt forskjellige typer interaksjoner innenfor ett konsept; dette skyldes at alle tre interaksjonene kan beskrives ved hjelp av målefelt. Hovedegenskapen til målefelt er eksistensen av abstrakte symmetrier, takket være hvilken denne tilnærmingen får eleganse og åpner for store muligheter. Tilstedeværelsen av kraftfeltsymmetrier indikerer ganske tydelig manifestasjonen av en skjult geometri. I Kaluza-Klein-teorien som ble brakt tilbake til livet, blir symmetriene til målefelt konkrete - dette er geometriske symmetrier assosiert med ytterligere dimensjoner av rommet.
Som i original versjon, introduseres interaksjoner i teorier ved å legge til flere romlige dimensjoner til rom-tid. Men siden vi nå trenger å imøtekomme interaksjoner av tre typer, må vi introdusere flere ekstra dimensjoner. Bare å telle antall symmetrioperasjoner inkludert i GUT fører til en teori med syv ekstra romlige dimensjoner (så deres totalt antall når ti); hvis vi tar tid i betraktning, så har rom-tid totalt elleve dimensjoner. [Soldatov V.K. Teorien om den "store foreningen". – M., Etterskrift, 2000, s. 69.]
Grunnleggende bestemmelser i teorien om "Grand Unification" fra synspunktet til kvantefysikk
I kvantefysikk er hver lengdeskala assosiert med en energiskala (eller tilsvarende masser). Jo mindre lengdeskalaen som studeres, jo høyere energi kreves for dette. Å studere kvarkstrukturen til et proton krever energier tilsvarende minst ti ganger protonets masse. Vesentlig høyere på energiskalaen er massen som tilsvarer den store foreningen. Hvis vi noen gang klarer å oppnå en så enorm masse (energi), som vi er veldig langt unna i dag, så vil det være mulig å studere verden av X-partikler, der forskjellene mellom kvarker og leptoner viskes ut.
Hva slags energi trengs for å trenge "inne" i 7-sfæren og utforske flere dimensjoner av rommet? I følge Kaluza-Klein-teorien er det nødvendig å overskride Grand Unification-skalaen og oppnå energier tilsvarende 10 19 protonmasser. Bare med slike ufattelig enorme energier ville det være mulig å direkte observere manifestasjonene av ytterligere dimensjoner av rommet.
Denne enorme verdien - 10 19 masser av et proton - kalles Planck-massen, siden den først ble introdusert av Max Planck, skaperen av kvanteteorien. Ved en energi som tilsvarer Planck-massen, ville alle fire vekselvirkningene i naturen smelte sammen til en enkelt superkraft, og ti romlige dimensjoner ville være helt like. Hvis det var mulig å konsentrere en tilstrekkelig mengde energi, "for å sikre oppnåelsen av Planck-massen, ville den fulle dimensjonen av rommet vises i all sin prakt [Yakushev A. S. Grunnleggende konsepter for moderne naturvitenskap - M., Fakt-M , 2001, s. 122.]
Ved å gi fantasien frie tøyler, kan man tenke seg at menneskeheten en dag vil få superkrefter. Hvis dette skjedde, ville vi fått makt over naturen, siden supermakt til syvende og sist gir opphav til alle interaksjoner og alle fysiske objekter; i denne forstand er det det grunnleggende prinsippet for alle ting. Etter å ha mestret supermakt, kunne vi endre strukturen i rom og tid, bøye tomrommet på vår egen måte og sette materie i orden. Ved å kontrollere supermakter kan vi skape eller transformere partikler etter eget ønske, og generere eksotiske nye former for materie. Vi kan til og med manipulere dimensjonen til selve rommet, og skape bisarre kunstige verdener med ufattelige egenskaper. Vi ville virkelig blitt mestere av universet!
Men hvordan oppnå dette? Først av alt er det nødvendig å få en tilstrekkelig mengde energi. For å få en ide om hva vi snakker om, husk at den 3 km lange lineære akseleratoren ved Stanford akselererer elektroner til energier tilsvarende 20 protonmasser. For å oppnå Planck-energien, må akseleratoren forlenges med 10 18 ganger, noe som gjør den på størrelse med Melkeveien (omtrent hundre tusen lysår). Et slikt prosjekt er ikke et prosjekt som kan gjennomføres i overskuelig fremtid. [Wheeler J. A. Quantum and the Universe // Astrophysics, quanta and theory of relativity, M., 1982, s. 276.]
Grand Unified Theory skiller klart tre terskler, eller skalaer, for energi. Først av alt er dette Weinberg-Salam-terskelen, tilsvarende nesten 90 protonmasser, over hvilken elektromagnetiske og svake interaksjoner smelter sammen til en enkelt elektrosvak interaksjon. Den andre skalaen, som tilsvarer 10 14 protonmasser, er karakteristisk for den store foreningen og den nye fysikken basert på den. Til slutt tilsvarer den ultimate skalaen - Planck-massen - tilsvarende 10 19 protonmasser, den fullstendige foreningen av alle interaksjoner, som et resultat av at verden er utrolig forenklet. Et av de største uløste problemene er å forklare eksistensen av disse tre skalaene, samt årsaken til en så sterk forskjell mellom den første og andre av dem. [Soldatov V.K. Teorien om den "store foreningen". – M., Etterskrift, 2000, s. 76.]
Moderne teknologi er i stand til å oppnå bare den første skalaen. Protonforfall kan gi oss et indirekte middel til å studere fysisk verden på den store enhetlige skalaen, selv om det for øyeblikket ikke ser ut til å være noe håp om å nå denne grensen direkte, enn si på skalaen til Planck-massen.
Betyr dette at vi aldri vil kunne observere manifestasjoner av den opprinnelige supermakten og de usynlige syv dimensjonene i rommet. Ved å bruke tekniske midler som en superledende superkollider, beveger vi oss raskt oppover skalaen av energier som kan oppnås under terrestriske forhold. Teknologien skapt av mennesker uttømmer imidlertid ikke alle muligheter – naturen selv finnes også. Universet er et gigantisk naturlig laboratorium der det største eksperimentet innen elementærpartikkelfysikk ble "gjennomført" for 18 milliarder år siden. Vi kaller dette eksperimentet Big Bang. Som det vil bli diskutert senere, var denne første begivenheten nok til å frigjøre - om enn for et veldig kort øyeblikk - supermakt. Imidlertid var dette tilsynelatende nok til at den spøkelsesaktige eksistensen av supermakt satte sine spor for alltid. [Yakushev A. S. Grunnleggende konsepter for moderne naturvitenskap. – M., Fakt-M, 2001, s. 165.]
Tiden er som en elv som bærer forbigående hendelser, og dens strøm er sterk; Så snart noe dukker opp foran øynene dine, er det allerede båret bort, og du kan se noe annet som også snart vil bli båret bort.
Marcus Aurelius
Hver av oss streber etter å skape komplett bilde verden, inkludert bildet av universet, fra den minste subatomære partikler i størst grad. Men fysikkens lover er noen ganger så merkelige og kontraintuitive at denne oppgaven kan bli overveldende for de som ikke har blitt profesjonelle teoretiske fysikere.
En leser spør:
Selv om dette ikke er astronomi, kan du kanskje gi meg et hint. Den sterke kraften bæres av gluoner og binder kvarker og gluoner sammen. Elektromagnetisk bæres av fotoner og binder elektrisk ladede partikler. Tyngdekraften bæres visstnok av gravitoner og binder alle partikler til masse. De svake bæres av W- og Z-partikler, og... er assosiert med forfall? Hvorfor beskrives den svake kraften på denne måten? Er den svake kraften ansvarlig for tiltrekning og/eller frastøting av partikler? Og hvilke? Og hvis ikke, hvorfor er det da en av de grunnleggende interaksjonene hvis det ikke er forbundet med noen krefter? Takk skal du ha.
La oss få det grunnleggende ut av veien. Det er fire grunnleggende krefter i universet - gravitasjon, elektromagnetisme, den sterke kjernekraften og den svake kjernekraften.
Og alt dette er interaksjon, kraft. For partikler hvis tilstand kan måles, endrer påføringen av en kraft momentet sitt - i det vanlige livet snakker vi i slike tilfeller om akselerasjon. Og for tre av disse kreftene er dette sant.
I tilfelle av tyngdekraften, totale mengden energi (for det meste masse, men dette inkluderer all energi) bøyer romtiden, og bevegelsen til alle andre partikler endres i nærvær av alt som har energi. Slik fungerer det i den klassiske (ikke-kvante) teorien om gravitasjon. Kanskje det er flere generell teori, kvantegravitasjon, hvor gravitoner utveksles, noe som fører til det vi observerer som gravitasjonsinteraksjon.
Før du fortsetter, vennligst forstå:
- Partikler har en egenskap, eller noe iboende til dem, som gjør at de kan føle (eller ikke føle) en viss type kraft
- Andre partikler som bærer interaksjoner samhandler med de første
- Som et resultat av interaksjoner endrer partikler sitt øyeblikk, eller akselererer
I elektromagnetisme er hovedegenskapen elektrisk ladning. I motsetning til tyngdekraften kan den være positiv eller negativ. Et foton, en partikkel som bærer kraften forbundet med en ladning, resulterer i identiske avgifter frastøter, og de som er forskjellige tiltrekkes.
Det er verdt å merke seg at bevegelige ladninger, eller elektriske strømmer, opplever en annen manifestasjon av elektromagnetisme - magnetisme. Det samme skjer med gravitasjon, og det kalles gravitomagnetisme (eller gravitoelektromagnetisme). Vi vil ikke gå dypere - poenget er at det ikke bare er en ladning og en kraftbærer, men også strømmer.
Det er også en sterk kjernefysisk interaksjon, som har tre typer ladninger. Selv om alle partikler har energi og alle er underlagt tyngdekraften, og selv om kvarker, inneholder halvparten av leptonene og et par bosoner elektriske ladninger – er det bare kvarker og gluoner som har en farget ladning og kan oppleve den sterke kjernekraften.
Det er mange masser overalt, så tyngdekraften er lett å observere. Og siden den sterke kraften og elektromagnetismen er ganske sterk, er de også lette å observere.
Men hva med sistnevnte? Svak interaksjon?
Vi snakker vanligvis om det i sammenheng med radioaktivt forfall. En tung kvark eller lepton forfaller til lettere og mer stabile. Ja, svakt samspill har noe med dette å gjøre. Men i i dette eksemplet den er på en måte forskjellig fra andre krefter.
Det viser seg at svak interaksjon også er en kraft, det er bare ikke ofte snakket om det. Hun er svak! 10 000 000 ganger svakere enn elektromagnetisme over en avstand av diameteren til et proton.
En ladet partikkel har alltid en ladning, uansett om den beveger seg eller ikke. Men elektrisitet, skapt av den, avhenger av dens bevegelse i forhold til andre partikler. Strøm bestemmer magnetisme, som er like viktig som den elektriske delen av elektromagnetisme. Sammensatte partikler som proton og nøytron har betydelige magnetiske momenter, akkurat som elektronet.
Kvarker og leptoner kommer i seks smaker. Quarks - topp, bunn, merkelig, sjarmert, sjarmerende, sann (i henhold til bokstavbetegnelsene deres på latin u, d, s, c, t, b - opp, ned, merkelig, sjarm, topp, bunn). Leptoner - elektron, elektron-nøytrino, myon, muon-nøytrino, tau, tau-nøytrino. Hver av dem har en elektrisk ladning, men også en duft. Hvis vi kombinerer elektromagnetisme og den svake kraften for å få den elektrosvake kraften, vil hver av partiklene ha noe svak ladning, eller elektrosvak strøm, og en svak kraftkonstant. Alt dette er beskrevet i Standardmodellen, men det var ganske vanskelig å teste det fordi elektromagnetismen er så sterk.
I et nytt eksperiment, hvis resultater nylig ble publisert, ble bidraget til den svake interaksjonen målt for første gang. Eksperimentet gjorde det mulig å bestemme den svake interaksjonen mellom opp- og nedkvarker
Og de svake ladningene til protonet og nøytronet. Standardmodellens spådommer for svake ladninger var:
Q W (p) = 0,0710 ± 0,0007,
Q W (n) = -0,9890 ± 0,0007.
Og basert på spredningsresultatene ga eksperimentet følgende verdier:
Q W (p) = 0,063 ± 0,012,
Q W (n) = -0,975 ± 0,010.
Noe som sammenfaller veldig bra med teorien, tatt i betraktning feilen. Eksperimentører sier at ved å behandle mer data vil de redusere feilen ytterligere. Og hvis det er noen overraskelser eller avvik med Standard modell, det blir kult! Men ingenting tyder på dette:
Derfor har partikler en svak ladning, men vi snakker ikke om det, siden det er urealistisk vanskelig å måle. Men vi gjorde det likevel, og det ser ut til at vi nok en gang har bekreftet Standardmodellen.
Leseren er kjent med krefter av ulik karakter som manifesterer seg i interaksjoner mellom kropper. Men fundamentalt forskjellige typer interaksjon veldig lite. Bortsett fra tyngdekraften, som bare spiller en betydelig rolle i nærvær av enorme masser, er bare tre typer interaksjoner kjent: sterk, elektromagnetisk og svak.
Elektromagnetisk interaksjon alle vet. Takket være dem avgir en ikke-jevnt bevegelig elektrisk ladning (for eksempel et elektron i et atom) elektromagnetiske bølger(For eksempel, synlig lys). Alle interaksjoner er assosiert med denne klassen av interaksjoner. kjemiske prosesser, så vel som alle molekylære fenomener - overflatespenning, kapillaritet, adsorpsjon, fluiditet. Elektromagnetisk interaksjon, teorien som er briljant bekreftet av erfaring, er dypt forbundet med elektrisk ladning elementær partikler.
Sterk interaksjon ble kjent først etter avsløringen intern struktur atomkjernen. I 1932 ble det oppdaget at den består av nukleoner, nøytroner og protoner. Og akkurat sterk interaksjon koble sammen nukleoner i kjernen - er ansvarlige for kjernekrefter, som, i motsetning til elektromagnetiske, er preget av et veldig kort handlingsområde (omtrent 10-13, dvs. en ti-billionth av en centimeter) og høy intensitet. I tillegg, sterk interaksjon vises under kollisjoner partikler høye energier som involverer pioner og såkalte "rare" partikler.
Det er praktisk å estimere intensiteten av interaksjoner ved å bruke den såkalte middelfrie banen partikler i et eller annet stoff, dvs. Av gjennomsnitt måten det partikkel kan passere gjennom dette stoffet til det oppstår en destruktiv eller sterkt avbøyende kollisjon. Det er klart at jo lengre den gjennomsnittlige frie veien er, jo mindre intens blir interaksjonen.
Hvis vi vurderer partikler Veldig høy energi, deretter kollisjoner forårsaket av sterke interaksjoner, er preget av den frie veien partikler, tilsvarende i størrelsesorden til titalls centimeter i kobber eller jern.
Situasjonen er annerledes med svake interaksjoner. Som vi allerede har sagt, er den gjennomsnittlige frie banen til en nøytrino i tett materie målt i astronomiske enheter. Dette indikerer en overraskende lav intensitet av svake interaksjoner.
Enhver prosess interaksjon elementær partikler preget av noe tid som avgjør det gjennomsnittlig varighet. Prosesser forårsaket av svak interaksjoner, kalles ofte "sakte" fordi tiden for dem er relativt lang.
Leseren kan imidlertid bli overrasket over at et fenomen som oppstår på for eksempel 10-6 (en milliondels) sekund klassifiseres som sakte. Denne levetiden er typisk for for eksempel forfallet av en myon forårsaket av svak interaksjoner. Men alt læres ved sammenligning. I verden elementær partikler en slik periode er faktisk ganske lang. Naturlig enhet lengde i mikrokosmos er 10-13 centimeter - handlingsområde kjernefysiske styrker. Og siden grunnskolen partikler høy energi har en hastighet nær lysets hastighet (ca. 1010 centimeter per sekund), da vil den "normale" tidsskalaen for dem være 10-23 sekunder.
Dette betyr at tiden på 10-6 sekunder for "borgerne" i mikroverdenen er mye lengre enn for deg og meg hele perioden med liv på jorden
elektrosvak teori
Leksjon-forelesning som forklarer nytt stoff, 2 timer, 11. klasse
Du vet allerede at alle krefter i naturen kommer ned til beskrivelsen av gravitasjons-, elektromagnetiske og sterke interaksjonerth eller deres kombinasjoner. Gravitasjonsinteraksjon er iboende i alle materielle objekter. Ikke bare interaksjonen mellom ladede legemer og partikler, men også elastiske, viskøse, molekylære, kjemiske og andre interaksjoner reduseres til elektromagnetiske. Den sterke interaksjonen holder nukleoner i atomkjerner og bestemmer de ulike transformasjonene av partikler til hverandre.I dag vil vi vurdere en annen, fjerde type grunnleggende interaksjoner, som ikke kan reduseres til noen av de ovennevnte - svak interaksjon. La oss finne det ut utrolig faktum at på korte avstander blir den svake interaksjonen umulig å skille fra den elektromagnetiske.
Svak interaksjon. Det er ingen tilfeldighet at denne interaksjonen kalles svak. For det første er dens manifestasjoner sjeldne hos oss Hverdagen, mens vi lenge har vært vant til ulike manifestasjoner av gravitasjons- og elektromagnetiske interaksjoner (for eksempel fall av alle kropper til jorden, friksjon, lyn, etc.), til resultatene av virkningen av kjernekrefter som sikrer stabiliteten av saken rundt oss. For det andre er denne interaksjonen virkelig svak, fordi dens intensitet ved lave energier som ikke overstiger 1 GeV – resten av protonet – er milliarder av ganger mindre enn intensiteten til de sterke og elektromagnetiske interaksjonene.
I tillegg viser erfaring at sterke og elektromagnetiske interaksjoner kan sikre både ulike transformasjoner av partikler og integriteten til en eller annen materiell gjenstand (for eksempel sikrer sterk interaksjon integriteten til kjernen, elektromagnetisk interaksjon sikrer integriteten til krystallgitteret). Den svake interaksjonskraften er ikke nok til å holde partikler nær hverandre (dvs. for å danne bundne tilstander). Det kan bare manifestere seg under desintegrasjonen og gjensidige transformasjoner av partikler.
Til tross for alle "svakhetene" ved svak interaksjon, er det veldig viktig. Det er denne interaksjonen på mikronivå som er ansvarlig for frigjøring av energi i stjerner, inkludert Solen. Vi kan si at vi er med bokstavelig Vi kan ikke leve uten denne interaksjonen! I tillegg skjer forfallet av radioaktive kjerner, som du vet, også på grunn av svak interaksjon.
Så, hva er hovedegenskapene til den svake interaksjonen?
– Svak interaksjon ved lave energier mye svakere enn de sterke og elektromagnetiske interaksjonene;
– svak interaksjon er kortdistanse: dens aksjonsradius er omtrent 10–18 m;
– svak interaksjon er universell: nesten alle partikler deltar i den, bortsett fra fotoner. I tillegg er det partikler som deltar bare i svake interaksjoner, for eksempel nøytrinoer og antinøytrinoer;
– med svak interaksjon er noen tilsynelatende universelle bevaringslover ikke oppfylt (dette spørsmålet er diskutert i materialet for selvstudium, se nedenfor).
Som kjent utføres hver av interaksjonene gjennom spesielle elementære partikler - bærere av en eller annen interaksjon. For eksempel er fotoner bærere av elektromagnetisk interaksjon, gluoner er bærere av sterk interaksjon. Forskere prøver for tiden å finne bærere gravitasjonsinteraksjon– gravitoner.
Bærerne av det svake samspillet er mellomvektorbosoner. Det er 3 kjente typer av dem: W – , W + , Z 0 . Disse partiklene har veldig store masser: mW 85m p, m Z 96m p, Hvor m p– protonmasse.
La oss beskrive mer detaljert rollen til mellombosoner i svake interaksjonsprosesser. For eksempel under -forfall av en kvark d sender ut et nøytron W- boson og blir til en kvark u, så nøytronet blir til et proton: du + W- , - og så W– - boson forfaller til et elektron og en antinøytrino: [Det bør imidlertid understrekes at pga. stor masse W-boson effektivt -forfall oppstår på en slik måte at hele den interne "strukturen" av svake interaksjoner ikke vises og bare reflekteres i en liten interaksjonskonstant. Men hvis vi studerer svake interaksjonsprosesser ved energier som kan sammenlignes med masse W(dvs. ca. 100 GeV), så her bidraget W-boson er godt synlig. – Ed.]
2. Samlet elektrosvak interaksjon. Ytterligere teoretisk forskning førte til at bildet av grunnleggende interaksjoner begynte å bli forenklet. Det viste seg at elektromagnetiske og svake interaksjoner er manifestasjoner av samme interaksjon, som kalles elektrosvak interaksjon. Denne ideen ble først uttrykt (uavhengig) i 1967. S. Weinberg Og A.Salam, og legger frem følgende hypotese: naturen til svake og elektromagnetiske interaksjoner er den samme, fordi på korte avstander er svake interaksjoner sammenlignbare i styrke med elektromagnetiske, og forskjellen mellom mellomvektorbosoner og fotoner blir slettet. Med andre ord, ved energier som overstiger flere hundre gigaelektronvolt, blir elektromagnetiske og svake interaksjoner umulige å skille i intensitet elektrosvak interaksjon.
Legg merke til at Weinberg og Salam stolte på den tidligere antakelsen om at bærerne av den svake interaksjonen er mellomvektorbosoner. Disse partiklene ble oppdaget eksperimentelt mye senere (i 1983).
3. Begrunnelse av Weinberg–Salam-hypotesen. Weinberg og Salam kom til konklusjonen om eksistensen av en enkelt elektrosvak kraft basert på nye grunnleggende fysiske ideer:
1) lokal måleinvarians;
2) spontan brudd på symmetrien.
Det følger av hypotesen at på små avstander skiller mellomvektorbosoner seg ikke i sine egenskaper fra fotoner, noe som betyr at mellomvektorbosoner og fotoner faktisk er to manifestasjoner av samme partikkel - bæreren av den elektrosvake interaksjonen (ellers interaksjonskraft kan ikke være den samme). Dette er bare mulig når det er gjort prinsippet om lokal måleinvarians (symmetri),(se diagrammet).
Det viste seg at når skalaen endres, d.v.s. ettersom avstanden minker, beveger bærerne av den elektrosvake interaksjonen seg fra en av deres manifestasjoner - fotoner - til deres andre manifestasjon - mellomvektorbosoner - men deres utveksling utføres like enkelt.
Men her oppsto et nytt spørsmål: hvordan kan mellomvektorbosoner og fotoner være manifestasjoner av de samme partiklene, hvis fotoner har null masse, og mellomvektorbosoner har veldig store masser? Siden disse er de samme partiklene, må massene deres matche. Det så ut til at det hadde oppstått en håpløs situasjon.
Det viste seg at mellomvektorbosoner er i stand til å tilegne seg massen sin som et resultat av en viss mekanisme kalt spontan brudd på symmetrien. Denne mekanismen er veldig kompleks, men la oss prøve å se på essensen ved å bruke noen få enkle eksempler.
Bevegelseslovene til individuelle atomer tilfredsstiller prinsippet om romsymmetri, dvs. endres ikke når atomet beveger seg ulike retninger. Men når en krystall dannes, brytes denne symmetrien av seg selv, og egenskapene til krystallen i forskjellige retninger vil ikke lenger være de samme. Dermed har krystallen, sammenlignet med frie atomer, mange spesifikke egenskaper, for eksempel evnen til å bli magnetisert.
Kulen som ligger i midten av den hevede bunnen av flasken vil være i likevekt. Systemet har aksial symmetri. Imidlertid er denne likevektsposisjonen ustabil. Overlatt til seg selv vil ballen, under påvirkning av en vilkårlig liten forstyrrelse, rulle ned til den konkave bunnen. Denne plasseringen av ballen er stabil, fordi det tilsvarer et minimum potensiell energi i jordens gravitasjonsfelt. Første aksial symmetri tilstand vil bli spontant forstyrret.
Tilsvarende, i de mest generelle termer, fører mekanismen for spontant brudd på lokal målersymmetri, som sikrer "masseløsheten" til mellomvektorbosoner og deres identitet med fotoner, til utseendet av masse i mellomvektorbosoner og derved til forskjeller i ytre manifestasjon av svake og elektromagnetiske interaksjoner.
Ovennevnte bestemmelser utgjør enhetlig teori om elektrosvak interaksjon. Det var fra dette eksistensen fulgte tre typer mellomvektorbosoner W – , W + , Z 0 , og verdiene til massene deres ble også forutsagt.
Den eksperimentelle oppdagelsen av mellomvektorbosoner i 1983 bekreftet gyldigheten av den enhetlige teorien om elektrosvak interaksjon. Du inviteres også til å gjøre deg kjent med disse eksperimentene (spørsmålet er presentert i materialet for selvstudium).
I stedet for fire fundamentale interaksjoner kan vi altså bare snakke om tre: gravitasjon, sterk og elektrosvak.
Selvstudiemateriell
1. Manglende overholdelse av bevaringslover under svak interaksjon. Det ble oppdaget at med svak interaksjon er noen tilsynelatende universelle bevaringslover ikke oppfylt, som er oppfylt med de tre andre grunnleggende interaksjonene (se diagram).
La oss vurdere lovene som ikke holder i svake interaksjoner.
Lov om bevaring av romlig paritet ( P-paritet). De sier det loven om bevaring av romlig paritet i enhver prosess utføres hvis prosessen er speilsymmetrisk, dvs. fortsetter på nøyaktig samme måte både til høyre og til venstre i forhold til et valgt senter. Med andre ord, selve prosessen og dens speilrefleksjon foregår på nøyaktig samme måte.
I 1957 fant Ts Wu at paritetsbevaringsloven ikke gjelder i svake interaksjoner. Et bestemt stoff som inneholder den β-aktive isotopen av kobolt ble plassert inne i en strømspole som skapte et magnetfelt (feltet er nødvendig for å bestille orienteringen av spinn og de iboende magnetiske momentene til kjernene). Det viste seg at det ble sendt ut omtrent 40 % flere elektroner på den ene siden (for eksempel opp) enn på den andre.
Opplev en ekte installasjon (over) og dens refleksjon i speilet (nedenfor)
Når hele bildet er speilvendt, for eksempel i forhold til et speil som ligger under, vil vi se et helt annet fenomen (de fleste elektroner flyr ned, selv om feltet I sirkulær strøm er fortsatt rettet oppover). For at fenomenet -forfall i speilet skal forløpe på nøyaktig samme måte, må retningen for den "overveiende" emisjonen av elektroner (oppover) endres. Det er et brudd på loven om bevaring av romlig paritet, som ikke ville eksistert hvis elektroner ble sendt ut med like stor sannsynlighet både oppover og nedover.
Fenomenet ikke-konservering av romlig paritet i svake interaksjoner kan illustreres på denne måten. Partikler født under svak interaksjon (elektroner, myoner, taoner) er langsgående polarisert. Det betyr at de har eget øyeblikk momentum - spinn j , som for en gitt partikkel alltid enten er codirectional med partikkelens momentum s , eller rettet i motsatt retning. I speilrefleksjon, disse partiklene spesifiserte vektorer endre retning på forskjellige måter. Spinnet endrer ikke retning, men momentumet gjør det. Imidlertid partikler med det resulterende arrangementet s Og j eksisterer rett og slett ikke, så i speilet går prosessen annerledes.
Partikkel med langsgående polarisering: EN) et fall; b) refleksjon
2. Oppdagelse av mellomvektorbosoner. I 1983 ble eksistensen av mellomvektorbosoner eksperimentelt bekreftet. Det er kjent at hovedforskningsmetoden i elementærpartikkelfysikk er spredningsmetoden, dvs. kollisjonen av forskjellige partikler med hverandre, som et resultat av at nye partikler blir født. Nylig har kollidere blitt mye brukt - akseleratorer der to stråler av partikler med null totalt momentum kolliderer (partikler fra forskjellige stråler har like store impulser, men motsatt rettet). De sier det prosessen vurderes i systemet med treghetssenteret til kolliderende partikler. Nye partikler født i kollideren registreres av forskjellige detektorer.
Så, la oss kollidere proton- og antiprotonstråler, i hver av disse partikkelenergien er lik E. Da er den totale kollisjonsenergien til to partikler 2 E. Med forbehold om 2 E > Ms 2 i denne kollisjonen en partikkel med masse M. La oss se på prosessen: 
, Hvor X er et sett med alle mulige tilstander, for eksempel
Vi illustrerer fødselen av mellomvektorbosoner med et diagram.
Quark u fra et proton og en antikvark fra et antiproton kan smelte sammen W+ (dette er vist i diagrammet). På samme måte kan par gi ved sammenslåing Z 9 -boson, par - W– -boson. Men når de først er født, går disse partiklene raskt i oppløsning. For eksempel osv.
En positron eller positivt ladet myon med høy effektivitet kan registreres av detektorer, og dette vil tjene som et tegn på fødselen av en mellomvektorboson. Samtidig flyr nøytrinoer bort og frakter bort en betydelig del av energien.
Den eksperimentelle oppdagelsen av vektor-mellombosoner bekreftet gyldigheten av den enhetlige teorien om elektrosvak interaksjon.
Spørsmål for selvkontroll
1. List opp og forklar fredningslovene som gjelder for svakt samspill.
2. Hva er essensen av loven om bevaring av romlig paritet?
3. Forklar hvordan manglende overholdelse av loven om bevaring av romlig paritet i svak interaksjon ble bevist. Når og av hvem ble dette eksperimentet utført?
4. Hvordan kan du ellers illustrere fenomenet ikke-konservering av romlig paritet i svak interaksjon?
5. Hvordan skiller loven om bevaring av romlig paritet seg fra loven om bevaring av kombinert paritet? Hvorfor kan vi ikke snakke om muligheten for svak interaksjon?
6. Hvorfor ble rarthet og sjarm introdusert? Hvilke verdier kan de ta? Hva kan sies om bevaring av disse mengdene under svak interaksjon?
7. Hvordan skiller et isotopisk spinn seg fra et isotopisk multiplett? Gi et eksempel på en isotopisk multiplett. Er loven om bevaring av isospin alltid brutt i svake interaksjoner?
8. Hvorfor tror du, før konstruksjonen av kollidere, var det ikke mulig å eksperimentelt bevise eksistensen av mellomvektorbosoner?
9. Forklar prosessen med å danne mellomvektorbosoner i kollideren.
10. Hvordan blir intermediære vektorbosoner produsert i kollideren?
Litteratur
Myakishev G.Ya. Elementærpartikler. – M.: Nauka, 1979.
Retningslinjer for emnet "Atomkjernens fysikk og elementærpartikler": Komp. Vasilevsky A.S. Del 1, 2. – Kirov: GPI, 1990.
Mukhin K.N. Underholdende kjernefysikk. – M.: Energoatomizdat, 1985.
Naumov A.I. Fysikk av atomkjernen og elementærpartikler. – M.: Utdanning, 1984.
Abbor L.B. Fysikk av elementærpartikler. – M.: Nauka, 1988.
Orir J. Populær fysikk. – M.: Mir, 1964.
Fysikk av elementærpartikler. Astrofysikk: Encyclopedia "Modern Natural Science". T. 4. – M.: Publishing House Magistr-Press, 2000.
Utdannet ved Kirov State Pedagogical University i 1996, fysikklærer i høyeste kvalifikasjonskategori, undervisningserfaring 9 år, metodolog, Ph.D. Gift, har to barn.
5. års student ved fakultetet for fysikk ved Vyat GSU.
Denne interaksjonen er den svakeste av de fundamentale interaksjonene som er observert eksperimentelt i forfall av elementærpartikler, der følgende er fundamentalt signifikante: kvanteeffekter. La oss huske at kvantemanifestasjoner av gravitasjonsinteraksjon aldri har blitt observert. Svake interaksjoner fremheves ved hjelp av neste regel: hvis en elementær partikkel kalt en nøytrino (eller antinøytrino) er involvert i interaksjonsprosessen, så er denne interaksjonen svak.
Et typisk eksempel på den svake interaksjonen er beta-nedfallet til et nøytron, hvor n– nøytron, s- proton, e– – elektron, e+ – elektron antinøytrino. Det bør imidlertid tas i betraktning at regelen ovenfor slett ikke betyr at enhver handling av svak interaksjon må ledsages av en nøytrino eller antinøytrino. Det er kjent å forekomme stort antall nøytrinolløse forfall. Som et eksempel kan vi legge merke til nedbrytningsprosessen til lambda hyperon D til et proton s+ og negativt ladet pion s– . Av moderne ideer Nøytronet og protonet er ikke ekte elementærpartikler, men er sammensatt av elementærpartikler kalt kvarker.
Intensiteten til den svake interaksjonen er preget av Fermi-koblingskonstanten G F. Konstant G F dimensjonale. For å danne en dimensjonsløs mengde er det nødvendig å bruke noe referansemasse, for eksempel massen til et proton m p. Da blir den dimensjonsløse koblingskonstanten. Det kan sees at den svake interaksjonen er mye mer intens enn gravitasjonsinteraksjonen.
Den svake interaksjonen, i motsetning til gravitasjonsinteraksjonen, er kortdistanse. Det betyr at den svake kraften mellom partiklene først spiller inn dersom partiklene er nærme nok hverandre. Hvis avstanden mellom partiklene overskrider en viss verdi som kalles den karakteristiske interaksjonsradius, manifesterer ikke den svake interaksjonen seg. Det er eksperimentelt fastslått at den karakteristiske radiusen for svak interaksjon er omtrent 10–15 cm, det vil si at svak interaksjon er konsentrert i avstander mindre størrelser atomkjernen.
Hvorfor kan vi snakke om svak interaksjon som en uavhengig type fundamental interaksjon? Svaret er enkelt. Det er fastslått at det er prosesser for transformasjon av elementærpartikler som ikke er redusert til gravitasjons-, elektromagnetiske og sterke interaksjoner. Godt eksempel, som viser at det er tre kvalitativt forskjellige interaksjoner i kjernefysiske fenomener, assosiert med radioaktivitet. Eksperimenter indikerer tilstedeværelsen av tre forskjellige typer radioaktivitet: α-, β- og γ-radioaktive henfall. I dette tilfellet er α-forfall på grunn av sterk interaksjon, γ-forfall skyldes elektromagnetisk interaksjon. Det gjenværende β-forfallet kan ikke forklares med de elektromagnetiske og sterke interaksjonene, og vi er tvunget til å akseptere at det er en annen fundamental interaksjon, kalt den svake. I generell sak behovet for å innføre svak interaksjon skyldes det faktum at det skjer prosesser i naturen hvor elektromagnetiske og sterke forfall forbudt av bevaringslover.
Selv om den svake interaksjonen er betydelig konsentrert i kjernen, har den visse makroskopiske manifestasjoner. Som vi allerede har bemerket, er det assosiert med prosessen med β-radioaktivitet. I tillegg spiller det svake samspillet viktig rolle i den såkalte termonukleære reaksjoner, ansvarlig for mekanismen for energifrigjøring i stjerner.
Den mest fantastiske eiendommen svak interaksjon er eksistensen av prosesser der speilasymmetri er manifestert. Ved første øyekast virker det åpenbart at forskjellen mellom begrepene venstre og høyre er vilkårlig. Faktisk er prosessene med gravitasjon, elektromagnetisk og sterk interaksjon invariante med hensyn til romlig inversjon, som utfører speilrefleksjon. Det sies at i slike prosesser er rompariteten P bevart. Det er imidlertid eksperimentelt fastslått at svake prosesser kan oppstå med ikke-konservering av romlig paritet og ser derfor ut til å føle forskjellen mellom venstre og høyre. For tiden er det solide eksperimentelle bevis på at paritets-ikke-konservering i svake interaksjoner er universell i naturen, det manifesterer seg ikke bare i forfall av elementære partikler, men også i kjernefysiske og jevne atomfenomener. Det bør erkjennes at speilasymmetri er en egenskap ved naturen på det mest grunnleggende nivået.
Paritets-ikke-konservering i svake interaksjoner så slik ut uvanlig eiendom, at nesten umiddelbart etter oppdagelsen gjorde teoretikere forsøk på å vise at det faktisk er fullstendig symmetri mellom venstre og høyre, bare det har mer dyp betydning enn tidligere antatt. Speilrefleksjon må ledsages av erstatning av partikler med antipartikler (ladningskonjugasjon C), og deretter alt grunnleggende interaksjoner må være invariant. Imidlertid ble det senere fastslått at denne invariansen ikke er universell. Det er svake forfall av de såkalte langlivede nøytrale kaonene til pioner p + , p – , forbudt hvis den angitte invariansen faktisk fant sted. Dermed, særpreg svak interaksjon er dens CP-ikke-invarians. Det er mulig at denne egenskapen er ansvarlig for det faktum at materie i universet vinner betydelig over antimaterie, bygget av antipartikler. Verden og antiverden er asymmetriske.
Spørsmålet om hvilke partikler som er bærere av den svake interaksjonen i lang tid var uklart. Forståelse ble oppnådd relativt nylig innenfor rammen av den enhetlige teorien om elektrosvake interaksjoner - Weinberg-Salam-Glashow-teorien. Det er nå generelt akseptert at bærerne av den svake interaksjonen er de såkalte W + - og Z 0 -bosonene. Disse er ladet W+ og nøytrale Z 0 elementære partikler med spinn 1 og masser lik i størrelsesorden 100 m p.