Oddziaływanie słabe jest jedną z czterech podstawowych sił rządzących całą materią we Wszechświecie. Pozostałe trzy to grawitacja, elektromagnetyzm i siła silna. Podczas gdy inne siły spajają wszystko, siła słaba odgrywa dużą rolę w ich rozbijaniu.

Słaba siła jest silniejsza niż grawitacja, ale jest skuteczna tylko na bardzo małych dystansach. Siła działa na poziomie subatomowym i odgrywa kluczową rolę w zasilaniu gwiazd i tworzeniu pierwiastków. Odpowiada także za większość naturalnego promieniowania we Wszechświecie.

Teoria Fermiego

Włoski fizyk Enrico Fermi opracował w 1933 roku teorię wyjaśniającą rozpad beta, proces przekształcania się neutronu w proton i wypierania elektronu, często nazywany w tym kontekście cząstką beta. Zidentyfikował nowy rodzaj siły, tzw. siłę słabą, która była odpowiedzialna za rozpad, podstawowy proces przemiany neutronu w proton, neutrino i elektron, który później został zdefiniowany jako antyneutrino.

Fermi pierwotnie założył, że istnieje zerowa odległość i zerowa spójność. Aby siła zadziałała, obie cząstki musiały się zetknąć. Od tego czasu odkryto, że oddziaływanie słabe to w rzeczywistości siła, która objawia się na niezwykle małej odległości, równej 0,1% średnicy protonu.

Siła elektrosłaba

Pierwszym etapem syntezy wodoru jest zderzenie dwóch protonów z siłą wystarczającą do pokonania wzajemnego odpychania, jakiego doświadczają w wyniku oddziaływania elektromagnetycznego.

Jeśli obie cząstki zostaną umieszczone blisko siebie, duża siła może je związać. Tworzy to niestabilną formę helu (2He), która ma jądro z dwoma protonami, w przeciwieństwie do stabilnej formy (4He), która ma dwa neutrony i dwa protony.

Na kolejnym etapie wchodzi w grę słaba interakcja. Z powodu nadmiaru protonów jeden z nich ulega rozpadowi beta. Następnie inne reakcje, w tym pośrednie tworzenie i fuzja 3He, ostatecznie tworzą stabilny 4He.

Diagram Feynmana przedstawiający rozpad beta neutronu na proton, elektron i antyneutrino elektronowe poprzez pośredni bozon W jest jednym z czterech podstawowych oddziaływań fizycznych pomiędzy cząstkami elementarnymi, obok grawitacyjnego, elektromagnetycznego i silnego. Jego najbardziej znanym przejawem jest rozpad beta i związana z nim radioaktywność. Interakcja nazwana słaby, ponieważ siła odpowiadającego mu pola jest o 10 13 mniejsza niż w polach utrzymujących razem cząstki jądrowe (nukleony i kwarki) i o 10 10 mniejsza niż pole kulombowskie w tych skalach, ale znacznie silniejsza niż pole grawitacyjne. Oddziaływanie ma krótki zasięg i pojawia się jedynie w odległościach rzędu wielkości jądra atomowego.
Pierwszą teorię oddziaływania słabego zaproponował Enrico Fermi w 1930 roku. Opracowując tę ​​teorię, wykorzystał hipotezę Wolfganga Pauliego o istnieniu wówczas nowej cząstki elementarnej – neutrina.
Oddziaływanie słabe opisuje te procesy w fizyce jądrowej i cząstek elementarnych, które zachodzą stosunkowo wolno, w przeciwieństwie do szybkich procesów powodowanych przez oddziaływanie silne. Na przykład okres półtrwania neutronu wynosi około 16 minut. – Wieczność w porównaniu do procesów nuklearnych, które charakteryzują się czasem 10 -23 s.
Dla porównania naładowane piony? ± rozpadają się w wyniku oddziaływań słabych i mają czas życia 2,6033 ± 0,0005 x 10 -8 s, natomiast pion neutralny? 0 rozpada się na dwa kwanty gamma w wyniku oddziaływania elektromagnetycznego, a jego czas życia wynosi 8,4 ± 0,6 x 10 -17 s.
Inną cechą interakcji jest swobodna droga cząstek w substancji. Cząsteczki oddziałujące poprzez oddziaływanie elektromagnetyczne – cząstki naładowane, kwanty gamma – mogą zostać zatrzymane przez żelazną płytkę o grubości kilkudziesięciu centymetrów. Natomiast neutrino, które oddziałuje słabo, przechodzi przez warstwę metalu o grubości miliarda kilometrów i nigdy się nie zderza.
Oddziaływanie słabe obejmuje kwarki i leptony, w tym neutrina. W tym przypadku zmienia się aromat cząstek, tj. ich typ. Na przykład w wyniku rozpadu neutronu jeden z jego kwarków d zamienia się w kwark u. Neutrina są wyjątkowe, ponieważ oddziałują z innymi cząstkami jedynie poprzez słabe, a nawet słabsze oddziaływania grawitacyjne.
Według współczesnych koncepcji, sformułowanych w Modelu Standardowym, oddziaływanie słabe przenoszone jest przez bozony cechowania W i Z, które odkryto w akceleratorach w 1982 roku. Ich masy są 80 i 90 razy większe od masy protonu. Wymiana wirtualnych bozonów W nazywana jest prądem naładowanym, wymiana bozonów Z nazywana jest prądem neutralnym.
Wierzchołki diagramów Feynmana opisujących możliwe procesy z udziałem bozonów cechowania W i Z można podzielić na trzy typy:

Lepton może wiprominitować lub zaabsorbować bozon W i zamienić się w neutrino;
kwark może wiprominować lub wchłonąć bozon W i zmienić jego smak, stając się superpozycją innych kwarków;
lepton lub kwark mogą absorbować lub wiprominitować bozon Z

Zdolność cząstki do słabego oddziaływania opisuje liczba kwantowa zwana słabą izospiną. Możliwe wartości izospiny dla cząstek mogących wymieniać bozony W i Z wynoszą ± 1/2. To właśnie te cząstki oddziałują poprzez oddziaływanie słabe. Cząstki posiadające zerową słabą izospinę, dla których procesy wymiany bozonów W i Z są niemożliwe, nie oddziałują poprzez słaby mutualizm. Słaba izospina jest zachowywana w reakcjach między cząstkami elementarnymi. Oznacza to, że całkowita słaba izospin wszystkich cząstek biorących udział w reakcji pozostaje niezmieniona, chociaż typy cząstek mogą się zmieniać.
Cechą słabej interakcji jest to, że narusza ona parzystość, ponieważ tylko fermiony o chiralności lewoskrętnej i antycząstki fermionów o chiralności prawoskrętnej mają zdolność słabego oddziaływania poprzez prądy naładowane. Niezachowanie parzystości w słabych oddziaływaniach odkryli Yang Zhenning i Li Zhengdao, za co otrzymali Nagrodę Nobla w dziedzinie fizyki w 1957 roku. Przyczynę niezachowania parzystości można dostrzec w spontanicznym łamaniu symetrii. W Modelu Standardowym złamanie symetrii odpowiada hipotetycznej cząstce, bozonowi Higgsa. To jedyna cząstka zwykłego modelu, która nie została jeszcze odkryta eksperymentalnie.
Przy słabej interakcji symetria CP jest również złamana. Naruszenie to odkryto eksperymentalnie w 1964 roku w eksperymentach z kaonem. Autorzy odkrycia, James Cronin i Val Fitch, zostali uhonorowani Nagrodą Nobla w 1980 roku. Naruszenie symetrii CP występuje znacznie rzadziej niż naruszenie parzystości. Oznacza to również, że zachowanie symetrii CPT opiera się na podstawowych zasadach fizycznych – transformacjach Lorentza i oddziaływaniach krótkiego zasięgu, możliwości łamania symetrii T, tj. niezmienność procesów fizycznych ze względu na zmiany kierunku czasu.

W 1969 roku skonstruowano ujednoliconą teorię oddziaływań elektromagnetycznych i słabych jądrowych, zgodnie z którą przy energiach 100 GeV, co odpowiada temperaturze 10 15 K, zanika różnica między procesami elektromagnetycznymi i słabymi. Eksperymentalna weryfikacja ujednoliconej teorii oddziaływań elektrosłabych i silnych jądrowych wymaga stumiliardowego zwiększenia energii akceleratora.
Teoria oddziaływania elektrosłabego opiera się na grupie symetrii SU(2).
Pomimo niewielkich rozmiarów i krótkiego czasu trwania, oddziaływanie słabe odgrywa w przyrodzie bardzo ważną rolę. Gdyby można było „wyłączyć” słabą interakcję, wówczas Słońce zgasłoby, ponieważ proces przekształcania protonu w neutron, pozyton i neutrino, w wyniku czego 4 protony zamieniają się w 4 He, dwa pozytonów i dwóch neutrin, byłoby niemożliwe. Proces ten służy jako główne źródło energii dla Słońca i większości gwiazd (patrz cykl wodoru). Słabe procesy interakcji są ważne dla ewolucji gwiazd, ponieważ powodują utratę energii bardzo gorących gwiazd w eksplozjach supernowych z powstawaniem pulsarów itp. Gdyby w przyrodzie nie było słabych oddziaływań, miony, pi-mezony i inne cząstki byłyby stabilne i szeroko rozpowszechnione w zwykłej materii. Tak istotna rola oddziaływania słabego wynika z faktu, że nie przestrzega ono szeregu zakazów charakterystycznych dla oddziaływań silnych i elektromagnetycznych. W szczególności słabe oddziaływanie zamienia naładowane leptony w neutrina, a kwarki jednego rodzaju w kwarki innego.

Słaba interakcja

Fizyka powoli zmierza w kierunku ustalenia istnienia oddziaływania słabego. Oddziaływanie słabe jest odpowiedzialne za rozpad cząstek; dlatego też jej manifestacja została skonfrontowana z odkryciem radioaktywności i badaniem rozpadu beta.

Rozpad beta ujawnił niezwykle dziwną cechę. Badania doprowadziły do ​​wniosku, że rozpad ten zdaje się naruszać jedno z podstawowych praw fizyki – prawo zachowania energii. Wydawało się, że część energii gdzieś znika. Aby „uratować” prawo zachowania energii, W. Pauli zasugerował, że podczas rozpadu beta wraz z elektronem wylatuje kolejna cząstka, zabierając ze sobą brakującą energię. Jest neutralny i ma niezwykle wysoką zdolność penetracji, w wyniku czego nie można go było zaobserwować. E. Fermi nazwał niewidzialną cząstkę „neutrinem”.

Ale przewidywanie neutrin to dopiero początek problemu, jego sformułowanie. Trzeba było wyjaśnić naturę neutrin, ale pozostało tu wiele tajemnic. Faktem jest, że elektrony i neutrina zostały wyemitowane przez niestabilne jądra. Jednak niezbicie udowodniono, że w jądrach nie ma takich cząstek. O ich występowaniu sugerowano, że elektrony i neutrina nie istnieją w jądrze w „gotowej formie”, ale w jakiś sposób powstają z energii radioaktywnego jądra. Dalsze badania wykazały, że neutrony zawarte w jądrze, pozostawione samym sobie, po kilku minutach rozpadają się na proton, elektron i neutrino, tj. zamiast jednej cząstki pojawiają się trzy nowe. Analiza doprowadziła do wniosku, że znane siły nie mogły spowodować takiego rozpadu. Najwyraźniej została wygenerowana przez jakąś inną, nieznaną siłę. Badania wykazały, że siła ta odpowiada jakiejś słabej interakcji.

Oddziaływanie słabe jest znacznie mniejsze niż wszystkie oddziaływania z wyjątkiem oddziaływania grawitacyjnego, a w układach, w których występuje, jego skutki są przyćmione przez oddziaływania elektromagnetyczne i silne. Ponadto oddziaływanie słabe rozchodzi się na bardzo małe odległości. Promień oddziaływania słabego jest bardzo mały. Oddziaływanie słabe zatrzymuje się w odległości większej niż 10-16 cm od źródła, dlatego nie może wpływać na obiekty makroskopowe, a ogranicza się do mikrokosmosu, cząstek subatomowych. Kiedy rozpoczęło się lawinowe odkrywanie wielu niestabilnych cząstek subjądrowych, odkryto, że większość z nich uczestniczy w oddziaływaniach słabych.

Silna interakcja

Ostatnim z szeregu oddziaływań fundamentalnych jest oddziaływanie silne, będące źródłem ogromnej energii. Najbardziej typowym przykładem energii uwalnianej w wyniku oddziaływania silnego jest Słońce. W głębi Słońca i gwiazd nieustannie zachodzą reakcje termojądrowe, spowodowane silnymi oddziaływaniami. Ale człowiek nauczył się także uwalniać oddziaływania silne: stworzono bombę wodorową, opracowano i udoskonalono technologie kontrolowanych reakcji termojądrowych.

Fizyka wpadła na pomysł istnienia silnego oddziaływania podczas badania struktury jądra atomowego. Pewna siła musi utrzymać dodatnio naładowane protony w jądrze, zapobiegając ich odlocie pod wpływem odpychania elektrostatycznego. Grawitacja jest zbyt słaba, aby to zapewnić; Oczywiście potrzebny jest jakiś rodzaj interakcji, silniejszy niż elektromagnetyczny. Później odkryto. Okazało się, że chociaż oddziaływanie silne znacznie przewyższa swoją wielkością wszystkie inne oddziaływania podstawowe, to nie jest ono odczuwalne poza jądrem. Podobnie jak w przypadku oddziaływania słabego, promień działania nowej siły okazał się bardzo mały: oddziaływanie silne objawia się w odległości wyznaczonej wielkością jądra, tj. około 10-13 cm Ponadto okazało się, że nie wszystkie cząstki ulegają silnemu oddziaływaniu. Doświadczają tego zatem protony i neutrony, ale elektrony, neutrina i fotony nie podlegają temu. Zwykle w oddziaływaniach silnych biorą udział tylko cząstki ciężkie. Odpowiada za powstawanie jąder i wiele oddziaływań cząstek elementarnych.

Teoretyczne wyjaśnienie natury silnego oddziaływania było trudne do opracowania. Przełom nastąpił dopiero na początku lat 60., kiedy zaproponowano model kwarkowy. W tej teorii neutrony i protony są uważane nie za cząstki elementarne, ale jako układy złożone zbudowane z kwarków.

Zatem w podstawowych oddziaływaniach fizycznych wyraźnie widać różnicę pomiędzy siłami dalekiego i krótkiego zasięgu. Z jednej strony oddziaływania o nieograniczonym promieniu (grawitacja, elektromagnetyzm), a z drugiej o małym promieniu (silne i słabe). Świat procesów fizycznych rozwija się w granicach tych dwóch biegunów i jest ucieleśnieniem jedności niezwykle małego i niezwykle dużego - działania krótkiego zasięgu w mikroświecie i działania dalekiego zasięgu w całym Wszechświecie.

Oddziaływanie słabe lub słabe oddziaływanie jądrowe jest jedną z czterech podstawowych sił w przyrodzie. Odpowiada w szczególności za rozpad beta jądra. Oddziaływanie to nazywa się słabym, gdyż dwa pozostałe istotne dla fizyki jądrowej oddziaływania (silne i elektromagnetyczne) charakteryzują się znacznie większym natężeniem. Jest jednak znacznie silniejszy niż czwarte z podstawowych oddziaływań, czyli grawitacja. To oddziaływanie jest najsłabszym z podstawowych oddziaływań obserwowanych eksperymentalnie podczas rozpadów cząstek elementarnych, gdzie efekty kwantowe mają fundamentalne znaczenie. Nigdy nie zaobserwowano kwantowych przejawów oddziaływania grawitacyjnego. Oddziaływanie słabe rozróżnia się na podstawie następującej zasady: jeżeli w procesie oddziaływania uczestniczy cząstka elementarna zwana neutrinem (lub antyneutrinem), to oddziaływanie to jest słabe.

Typowym przykładem oddziaływania słabego jest rozpad beta neutronu

gdzie n to neutron, p to proton, e- to elektron, e to antyneutrino elektronowe.

Należy jednak pamiętać, że powyższa zasada wcale nie oznacza, że ​​jakiemukolwiek aktowi oddziaływania słabego musi towarzyszyć neutrino lub antyneutrino. Wiadomo, że zachodzi duża liczba rozpadów bezneutrinowych. Jako przykład możemy zaobserwować proces rozpadu hiperonu lambda na proton p i ujemnie naładowany pion. Według współczesnych koncepcji neutron i proton nie są tak naprawdę cząstkami elementarnymi, ale składają się z cząstek elementarnych zwanych kwarkami.

Intensywność oddziaływania słabego charakteryzuje stała sprzężenia Fermiego GF. Stała GF jest wymiarowa. Aby utworzyć wielkość bezwymiarową, konieczne jest użycie pewnej masy odniesienia, na przykład masy protonu mp. Wtedy będzie bezwymiarowa stała sprzężenia

Można zauważyć, że oddziaływanie słabe jest znacznie intensywniejsze niż oddziaływanie grawitacyjne.

Oddziaływanie słabe, w odróżnieniu od oddziaływania grawitacyjnego, ma charakter krótkozasięgowy. Oznacza to, że oddziaływanie słabe między cząstkami ma znaczenie tylko wtedy, gdy cząstki znajdują się wystarczająco blisko siebie. Jeśli odległość między cząstkami przekracza pewną wartość zwaną charakterystycznym promieniem oddziaływania, oddziaływanie słabe nie objawia się. Ustalono eksperymentalnie, że charakterystyczny promień oddziaływania słabego wynosi około 10-15 cm, co oznacza, że ​​oddziaływanie słabe koncentruje się w odległościach mniejszych niż wielkość jądra atomowego. Chociaż oddziaływanie słabe jest w znacznym stopniu skoncentrowane w jądrze, ma ono pewne objawy makroskopowe. Ponadto oddziaływanie słabe odgrywa ważną rolę w tzw. reakcjach termojądrowych odpowiedzialnych za mechanizm uwalniania energii w gwiazdach. Najbardziej zdumiewającą właściwością oddziaływania słabego jest istnienie procesów, w których objawia się asymetria lustrzana. Na pierwszy rzut oka wydaje się oczywiste, że różnica między pojęciami lewica i prawica jest dowolna. Rzeczywiście, procesy oddziaływania grawitacyjnego, elektromagnetycznego i silnego są niezmienne w odniesieniu do inwersji przestrzennej, która powoduje odbicie lustrzane. Mówi się, że w takich procesach zachowana jest parytet przestrzenny P. Ustalono jednak eksperymentalnie, że słabe procesy mogą przebiegać bez zachowania parytetu przestrzennego i dlatego wydają się wyczuwać różnicę między lewą i prawą stroną. Obecnie istnieją solidne dowody eksperymentalne, że niezachowanie parzystości w oddziaływaniach słabych ma charakter uniwersalny i objawia się nie tylko w rozpadach cząstek elementarnych, ale także w zjawiskach jądrowych, a nawet atomowych. Należy uznać, że asymetria lustrzana jest właściwością Natury na najbardziej podstawowym poziomie.

Inne artykuły:

Stany
W 1932 roku zaproponowano model proton-neutron Iwanenko-Heisenberga. Jądra o tym samym ładunku i różnych masach nazywane są izotopami. 75% 25% naturalnego chloru. Jądra o tej samej liczbie masowej, ale różnych ładunkach...

Skład chemiczny i właściwości fizykochemiczne DNA
DNA to wielozasadowe mocne kwasy, których alkaliczne sole tworzą w wodzie bardzo lepkie, przezroczyste roztwory koloidalne, które krzepną w stężeniach powyżej 0,25%. Roztwory DNA charakteryzują się nieprawidłową (strukturalną) lepkością...

Dwustopniowy, głęboki proces półprzepływowy
W pierwszym fermentorze rozmnażają się bakterie. Część zawartości pierwszego fermentora jest pompowana do drugiego, gdzie fermentacja dobiega końca. Do pierwszego fermentora dodaje się świeżą brzeczkę, a zawartość drugiego całkowicie wylewa. Poeta...

Słaba interakcja.

Fizyka powoli zmierza w kierunku ustalenia istnienia oddziaływania słabego. Oddziaływanie słabe jest odpowiedzialne za rozpady cząstek. Dlatego też natknięto się na jego przejawy podczas odkrycia radioaktywności i badania rozpadu beta (patrz 8.1.5).

Rozpad beta ujawnił niezwykle dziwną cechę. Wydawało się, że w tym rozpadzie naruszone zostało prawo zachowania energii, że część energii gdzieś zniknęła. Aby „uratować” prawo zachowania energii, W. Pauli zasugerował, że podczas rozpadu beta wraz z elektronem wylatuje kolejna cząstka, zabierając ze sobą brakującą energię. Jest neutralny i ma niezwykle wysoką zdolność penetracji, w wyniku czego nie można go było zaobserwować. E. Fermi nazwał niewidzialną cząstkę „neutrinem”.

Ale przewidywanie neutrin to dopiero początek problemu, jego sformułowanie. Trzeba było wyjaśnić naturę neutrin, pozostało tu wiele tajemnic. Faktem jest, że elektrony i neutrina były emitowane przez niestabilne jądra, ale wiadomo było, że wewnątrz jąder nie ma takich cząstek. Jak powstały? Okazało się, że neutrony zawarte w jądrze, pozostawione samym sobie, po kilku minutach rozpadają się na proton, elektron i neutrino. Jakie siły powodują taki rozpad? Analiza wykazała, że ​​znane siły nie mogą spowodować takiego rozpadu. Najwyraźniej została wygenerowana przez jakąś inną, nieznaną siłę, która odpowiada jakiejś „słabej interakcji”.

Oddziaływanie słabe jest znacznie mniejsze niż wszystkie oddziaływania z wyjątkiem oddziaływania grawitacyjnego. Tam, gdzie jest obecny, jego skutki są przyćmione przez oddziaływania elektromagnetyczne i silne. Ponadto oddziaływanie słabe rozciąga się na bardzo małe odległości. Promień słabego oddziaływania jest bardzo mały (10-16 cm). Dlatego nie może wpływać nie tylko na obiekty makroskopowe, ale nawet atomowe i ogranicza się do cząstek subatomowych. Ponadto, w porównaniu do oddziaływań elektromagnetycznych i silnych, oddziaływanie słabe jest niezwykle powolne.

Kiedy rozpoczęło się lawinowe odkrywanie wielu niestabilnych cząstek subjądrowych, odkryto, że większość z nich uczestniczy w oddziaływaniach słabych. Oddziaływanie słabe odgrywa w przyrodzie bardzo ważną rolę. Jest integralną częścią reakcji termojądrowych na Słońcu i gwiazdach, zapewniając syntezę pulsarów, eksplozje supernowych, syntezę pierwiastków chemicznych w gwiazdach itp.