Слабка взаємодія - це одна з чотирьох фундаментальних сил, що керують всією матерією у Всесвіті. Інші три - сила тяжіння, електромагнетизм і сильна взаємодія. В той час, як інші сили тримають речі разом, слабка силаграє велику рольу їхньому руйнуванні.

Слабка взаємодія сильніше за гравітаціюАле воно ефективне тільки на дуже малих відстанях. Сила діє на субатомному рівні та грає вирішальну рольу забезпеченні енергією зірок та створенні елементів. Вона також відповідає за більшу частинуприродного випромінювання у Всесвіті.

Теорія Фермі

Італійський фізик Енріко Фермі в 1933 р. розробив теорію для пояснення бета-розпаду - процесу перетворення нейтрона на протон і витіснення електрона, який часто називають у цьому контексті бета-частинкою. Він визначив новий типсили, так звана слабка взаємодія, яка відповідала за розпад, фундаментальний процес перетворення нейтрону на протон, нейтрино та електрон, який згодом було визначено як антинейтрино.

Фермі спочатку припускав, що мала місце нульова відстань і зчеплення. Дві частки мали стикатися, щоб сила працювала. З того часу з'ясувалося, що слабка взаємодія насправді є яка проявляється на надзвичайно короткій відстані, що дорівнює 0,1% діаметра протона.

Електрослаба сила

Першим етапом у злитті водню є зіткнення двох протонів з достатньою силою, щоб подолати взаємне відштовхування, яке вони відчувають через їх електромагнітну взаємодію.

Якщо обидві частинки розташувати близько одна до одної, сильна взаємодія може пов'язувати їх. Це створює нестабільну форму гелію (2 He), який має ядро ​​з двома протонами, на відміну від стійкої форми (4 Не), яка має два нейтрони і два протони.

на наступному етапіу гру вступає слабка взаємодія. Через надлишок протонів один із них зазнає бета-розпаду. Після цього інші реакції, включаючи проміжне утворення і злиття 3 Не, в кінцевому рахунку, утворюють стабільний 4 Не.

Час подібний до річки, що несе події, що проходять повз, і течія її сильно; тільки щось здасться вам на очі - а його вже забрало, і видно щось інше, що теж незабаром понесе.

Марк Аврелій

Кожен із нас прагне створити цілісну картинусвіту, включаючи картину Всесвіту, від найдрібніших субатомних частинокдо найбільших масштабів. Але закони фізики часом настільки дивні та контрінтуїтивні, що це завдання може стати непосильним для тих, хто не став професійними теоритичними фізиками.

Читач запитує:

Хоча це і не астрономія, але, можливо, ви підкажете. Сильне взаємодія переноситься глюонами і пов'язує кварки та глюони разом. Електромагнітне переноситься фотонами та пов'язує електричні заряджені частинки. Гравітація, ймовірно, переноситься гравітонами та пов'язує всі частинки з масою. Слабке переноситься W та Z частинками, і … пов'язане з розпадом? Чому слабку взаємодію описують саме так? Чи відповідальна слабка взаємодія за тяжіння та/або відштовхування будь-яких частинок? І яких? А якщо ні, чому тоді це одне з фундаментальних взаємодійякщо воно не пов'язане з жодними силами? Дякую.

Давайте розберемося в основах. У всесвіті існує чотири фундаментальні взаємодії – гравітація, електромагнетизм, сильна ядерна взаємодія та слабка ядерна взаємодія.

І все це – взаємодії, сили. Для частинок, стан яких можна виміряти, додаток сили змінює її момент – у звичайному житті у разі ми говоримо про прискоренні. І для трьох із зазначених сил це так і є.

У разі гравітації, Загальна сумаенергії (переважно маси, але сюди входить вся енергія) викривляє простір-час, і рух інших частинок змінюється у присутності всього, що має енергію. Так воно працює у класичній (не квантовій) теорії гравітації. Може, і є більше загальна теорія, квантової гравітаціїде відбувається обмін гравітонами, що призводить до того, що ми спостерігаємо як гравітаційну взаємодію.

Перед тим, як продовжити, з'ясуйте:

1. Частки мають властивість або щось притаманне їм, що дозволяє їм відчувати (або не відчувати) певний тип сили
2. Інші частки, які переносять взаємодії, взаємодіють із першими
3. Внаслідок взаємодій частки змінюють момент, або прискорюються

В електромагнетизм основна властивість - електричний заряд. На відміну від гравітації, може бути позитивним чи негативним. Фотон, частка, що переносить взаємодію, пов'язану із зарядом, призводить до того, що однакові зарядивідштовхуються, а розрізняються – притягуються.

Варто зазначити, що заряди, що рухаються, або електричні струми, відчувають ще один прояв електромагнетизму - магнетизм. З гравітацією відбувається те саме, і називається гравітомагнетизм (або гравітоелектромагнетизм). Поглиблюватися не будемо – суть у тому, що є не лише заряд та переносник сили, а й струми.

Є ще сильна ядерна взаємодія, яка має три типи зарядів. Хоча у всіх частинок є енергія, і вони всі схильні до гравітації, і хоча кварки, половина лептонів і пара бозонів містять електричні заряди - тільки у кварків і глюонів є кольоровий заряд, і вони можуть відчувати сильну ядерну взаємодію.

Мас скрізь багато, тож гравітацію спостерігати легко. А оскільки сильна взаємодія та електромагнетизм досить сильні, їх також легко спостерігати.

Але що щодо останнього? Слабкої взаємодії?

Про нього ми зазвичай говоримо у контексті радіоактивного розпаду. Тяжкі кварк або лептон розпадаються на легкі та стабільніші. Так, слабка взаємодія має до цього стосунок. Але в даному прикладівоно якось відрізняється від інших сил.

Виявляється, що слабка взаємодія теж сила, просто про неї нечасто розповідають. Адже вона слабка! У 10 000 000 разів слабше, ніж електромагнетизм, на дистанції завдовжки діаметр протона.

Заряджена частка завжди має заряд, незалежно від того, рухається вона чи ні. Але електричний струм, створюваний нею, залежить від її руху щодо інших часток. Струм визначає магнетизм, який так само важливий, як і електрична частина електромагнетизму. У складових частинок на кшталт протона та нейтрону є суттєві магнітні моменти, Як і в електрона.

Кварки та лептони бувають шести ароматів. Кварки - верхній, нижній, дивний, зачарований, чарівний, істинний (згідно з їх літерними позначеннями в латиниці u, d, s, c, t, b - up, down, strange, charm, top, bottom). Лептони – електрон, електрон-нейтрино, мюон, мюон-нейтрино, тау, тау-нейтрино. Кожен з них має електричний заряд, але також і аромат. Якщо ми об'єднаємо електромагнетизм і слабку взаємодію, щоб отримати електрослабку взаємодію, то у кожної з частинок буде якийсь слабкий заряд, або електрослабкий струм, і константа слабкої взаємодії. Все це описано в Стандартній моделі, але перевірити це було досить складно, оскільки електромагнетизм настільки сильний.

У новому експерименті, результати якого нещодавно були опубліковані, вперше було виміряно внесок слабкої взаємодії. Експеримент дозволив визначити слабку взаємодію верхніх та нижніх кварків

І слабкі заряди протону та нейтрону. Передбачення Стандартної моделі для слабких зарядів були такі:

Q W (p) = 0.0710 ± 0.0007,
Q W (n) = -0.9890±0.0007.

А за результатами розсіювання експеримент видав такі значення:

Q W (p) = 0.063 ± 0.012,
Q W (n) = -0.975±0.010.

Що добре співпадає з теорією з урахуванням похибки. Експериментатори кажуть, що, обробивши більше даних, вони ще зменшать похибку. І якщо там будуть якісь сюрпризи чи розбіжності зі Стандартною моделлю, це буде круто! Але на це ніщо не вказує:

Тому частинки мають слабкий заряд, але ми про нього не поширюємося, оскільки його неможливо важко виміряти. Але ми все-таки зробили це, і зважаючи на все, знову підтвердили Стандартну модель.

Слабка взаємодія, або слабка ядерна взаємодія, - одна з чотирьох фундаментальнихвзаємодій у природі. Воно відповідальне, зокрема, за бета-розпад ядра. Ця взаємодія називається слабкою, оскільки дві інші взаємодії, значущі для ядерної фізики(сильне та електромагнітне), характеризуються значно більшою інтенсивністю. Однак воно значно сильніше четвертого з фундаментальних взаємодій, гравітаційного. Сили слабкої взаємодії не вистачає, щоб утримувати частки один біля одного (тобто утворювати пов'язані стани). Воно може виявлятися тільки при розпадах та взаємних перетвореннях частинок.

Слабка взаємодія є короткодіючою - вона проявляється на відстанях, значно менших за розмір атомного ядра (характерний радіус взаємодії 2 · 10-18 м).

Переносниками слабкої взаємодії є векторні бозони, і. При цьому розрізняють взаємодію про заряджених слабких струмів і нейтральних слабких струмів. Взаємодія заряджених струмів (за участю заряджених бозонів) призводить до зміни зарядів частинок та перетворення одних лептонів та кварків на інші лептони та кварки. Взаємодія нейтральних струмів (за участю нейтрального бозону) не змінює заряди частинок і переводить лептони і кварки в ті самі частки.

Вперше слабкі взаємодії спостерігалися при розпаді атомних ядер. І, як виявилося, ці розпади пов'язані з перетвореннями протона на нейтрон в ядрі і назад:

р > n + е + + не, n > р + е- + e,

де n – нейтрон, p – протон, e- – електрон, н?e – електронне антинейтрино.

Елементарні частинки прийнято поділяти на три групи:

1) фотони; ця група складається лише з однієї частки - фотону - кванта електромагнітного випромінювання;

2) лептони (від грецьк. «лептос» - легкий), що беруть участь тільки в електромагнітному та слабкому взаємодіях. До лептонів відносяться електронне та мюонне нейтрино, електрон, мюон і відкритий у 1975 р. важкий лептон - -лептон, або таон, з масою приблизно 3487me, а також відповідні їм античастинки. Назва лептонів пов'язана з тим, що маси перших відомих лептонів були меншими за маси всіх інших частинок. До лептонів відноситься також таонне нейтрино, існування якого в Останнім часомтакож встановлено;

3) адрони (від грец. «Адрос» - великий, сильний). Адрони мають сильну взаємодію поряд з електромагнітною і слабкою. З розглянутих вище частинок до них відносяться протон, нейтрон, півонії та каони.

Властивості слабкої взаємодії

Слабка взаємодія має відмінні властивості:

1. У слабкій взаємодії беруть участь усі фундаментальні ферміони (лептони та кварки). Ферміони (від прізвища італійського фізика Еге. Фермі) - елементарні частки, атомні ядра, атоми, які мають напівціле значення свого моменту імпульсу. Приклади ферміонів: кварки (вони утворюють протони та нейтрони, які є ферміонами), лептони (електрони, мюони, тау-лептони, нейтрино). Це єдина взаємодія, в якій беруть участь нейтрино (крім гравітації, знехтує малою в лабораторних умов), чим пояснюється колосальна проникаюча здатність цих частинок. Слабка взаємодія дозволяє лептонам, кваркам та їх античастинкам обмінюватися енергією, масою, електричним зарядом та квантовими числами- тобто перетворюватися один на одного.

2. Слабка взаємодія одержала свою назву через те, що її характерна інтенсивність значно нижча, ніж у електромагнетизму. У фізиці елементарних частинокінтенсивність взаємодії прийнято характеризувати швидкістю перебігу процесів, викликаних цією взаємодією. Чим швидше протікають процеси, тим вища інтенсивність взаємодії. При енергіях взаємодіючих частинок порядку 1 ГеВ характерна швидкість перебігу процесів, обумовлених слабкою взаємодією, становить близько 10?10 с, що приблизно на 11 порядків більше, ніж для електромагнітних процесів, тобто слабкі процеси - це надзвичайно повільні процеси.

3. Іншою характеристикою інтенсивності взаємодії є довжина вільного пробігу частинок речовини. Так, для того, щоб зупинити рахунок сильної взаємодії адрон, що летить, потрібна плита із заліза товщиною в кілька сантиметрів. У той же час нейтрино, яке бере участь лише у слабкій взаємодії, може пролетіти через плиту завтовшки мільярди кілометрів.

4. Слабка взаємодія має дуже малий радіус дії - близько 2 · 10-18 м (це приблизно в 1000 разів менше розміруядра). Саме з цієї причини, незважаючи на те, що слабка взаємодія значно інтенсивніша за гравітаційну, радіус дії якої не обмежений, вона відіграє помітно меншу роль. Наприклад, навіть для ядер, що знаходяться на відстані 10-10 м, слабка взаємодія слабкіша не тільки електромагнітного, а й гравітаційного.

5. Інтенсивність слабких процесівсильно залежить від енергії частинок, що взаємодіють. Чим вища енергія, тим інтенсивність вища. Наприклад, в силу слабкої взаємодії нейтрон, енергія спокою якого дорівнює приблизно 1 ГеВ, розпадається за час близько 103 с, а Л-гіперон, маса якого в сто разів більша, - вже за 10-10 с. Те саме справедливо для енергійних нейтрино: перетин взаємодії з нуклоном нейтрино з енергією 100 ГеВ на шість порядків більше, ніж у нейтрино з енергією близько 1 МеВ. Однак при енергіях порядку декількох сотень ГеВ (в системі центру мас часток, що стикаються) інтенсивність слабкої взаємодії стає порівнянною з енергією електромагнітної взаємодії, в результаті чого вони можуть бути описані єдиним чином як електрослабка взаємодія. У фізиці елементарних частинок електрослабка взаємодія є загальним описомдвох із чотирьох фундаментальних взаємодій: слабкої взаємодії та електромагнітної взаємодії. Хоча ці дві взаємодії дуже різняться на нормальних низьких енергіях, теоретично вони видаються як два різних проявіводнієї взаємодії. При енергіях вище енергії об'єднання (порядку 100 ГеВ) вони поєднуються в єдину електрослабку взаємодію. Електрослабка взаємодія - взаємодія, в якій беруть участь кварки та лептони, випромінюючи та поглинаючи фотони або важкі проміжні векторні бозони W+, W-, Z0. е. в. описується калібрувальною теорією зі спонтанно порушеною симетрією.

6. Слабка взаємодія є єдиним із фундаментальних взаємодій, для якого не виконується закон збереження парності, це означає, що закони, яким підкоряться слабкі процеси, змінюються при дзеркальному відображенні системи. Порушення закону збереження парності призводить до того, що слабкому взаємодії схильні лише ліві частки (спин яких спрямований протилежно імпульсу), але з праві (спин яких сонаправлено з імпульсом), і навпаки: праві античастинки взаємодіють слабким чином, але ліві - інертні.

Операція просторової інверсії P полягає у перетворенні

x, y, z, -x, -y, -z, -, .

Операція P змінює знак будь-якого полярного вектора

Операція просторової інверсії переводить систему у дзеркально симетричну. Дзеркальна симетріяспостерігається в процесах під дією сильного і електромагнітної взаємодії. Дзеркальна симетрія у цих процесах означає, що у дзеркально-симетричних станах переходи реалізуються з однаковою ймовірністю.

1957 ? Янг Чженьнін, Лі Цзундао отримав нобелівську преміюпо фізиці. За глибокі дослідження так званих законів парності, що призвели до важливим відкриттяму сфері елементарних частинок.

7. Крім просторової парності, слабка взаємодія не зберігає також комбінованої просторово-зарядової парності, тобто єдина з відомих взаємодій порушує принцип CP-інваріантності.

Зарядова симетрія означає, що якщо існує якийсь процес за участю частинок, то при заміні їх на античастинки (зарядове сполучення), процес також існує і відбувається з тією ж ймовірністю. Зарядова симетрія відсутня у процесах за участю нейтрино та антинейтрино. У природі існують лише лівоспіральні нейтрино та правоспіральні антинейтрино. Якщо кожну з цих частинок (для певності розглядатимемо електронне нейтрино ne і антинейтрино e) піддати операції зарядового сполучення, то вони перейдуть у неіснуючі об'єкти з лептонними числами та спіральностями.

Таким чином, у слабких взаємодіях порушуються одночасно P-і C-інваріантність. Однак якщо над нейтрино (антинейтрино) зробити дві послідовні операції? P- і C_перетворення (порядок операцій не важливий), то знову отримаємо нейтрино, що існують у природі. Послідовність операцій та (або в зворотному порядку) носить назву CP-перетворення. Результат CP_преобразования (комбінованої інверсії) не і e наступний:

Таким чином, для нейтрино та антинейтрино операція, що переводить частинку в античастинку, це не операція зарядового сполучення, а CP-перетворення.

СЛАБЕ ВЗАЄМОДІЯ- одне із чотирьох відомих фундам. взаємодійміж . С. ст. значно слабше сильного і ел-магн. взаємодій, але набагато сильніше гравітаційного. У 80-х роках. встановлено, що слабке і ел-магн. взаємодії - разл. прояви єдиного електрослабкої взаємодії.

Про інтенсивність взаємодій можна судити за швидкістю процесів, які воно викликає. Зазвичай порівнюють між собою швидкості процесів при енергіях ГеВ, притаманних фізики елементарних частинок. При таких енергіях процес, зумовлений сильною взаємодією, відбувається за час з ел-магн. процес за час, характерне ж час процесів, що відбуваються за рахунок С. в. (слабких процесів), набагато більше: з, отже у світі елементарних частинок слабкі процеси протікають надзвичайно повільно.

Інша характеристика взаємодії – частки у речовині. Сильно взаємодіючі частинки (адрони) можна затримати залізною плитою завтовшки в дек. десятків см, тоді як нейтрино, що володіє лише С. ст, проходило б, не зазнавши жодного зіткнення, через залізну плиту товщиною близько мільярда км. Ще слабшим є гравітац. взаємодія, сила якого при енергії ~1 ГеВ в 10 33 разів менше, ніж у С. в. Однак зазвичай роль гравітації. взаємодії набагато помітніше ролі С. в. Це пов'язано з тим, що гравітація. взаємодія, як і електромагнітна, має нескінченно великий радіус дії; тому, наприклад, на тіла, що знаходяться на поверхні Землі, діє гравітація. тяжіння всіх атомів, з яких брало складається Земля. Слабка ж взаємодія має дуже малий радіус дії: бл. 2*10 -16 см (що на три порядки менше радіусу сильної взаємодії). Внаслідок цього, напр., С. в. між ядрами двох сусідніх атомів, що знаходяться на відстані 10 -8 см, мізерно мало, незрівнянно слабше не тільки електромагнітного, а й гравітації. взаємодій між ними.

Однак, незважаючи на малу величину та короткодію, С. в. грає дуже значної ролі у природі. Так, якби вдалося «вимкнути» С. в., то згасло б Сонце, оскільки був би неможливий процес перетворення протона в нейтрон, позитрон і нейтрино, в результаті якого чотири протона перетворюються на 4 Не, два позитрони і два нейтрино. Цей процес служить осн. джерелом енергії Сонця та більшості зірок (див. Водневий цикл).Процеси С. в. з випусканням нейтрино взагалі виключно важливі в еволюції зірок, тому що обумовлюють втрати енергії дуже гарячими зірками, у вибухах наднових зірокз утворенням пульсарів і т. д. Якби не було С. в., були б стабільні і широко поширені в звичайній речовині мюони,-мезони, дивні і зачаровані частинки, які розпадаються в результаті С. в. Така велика роль С. Є. пов'язана з тим, що воно не підпорядковується ряду заборон, характерних для сильного і ел-магн. взаємодій. Зокрема, С. в. перетворює заряджені лептони на нейтрино, а одного типу (аромату) на кварки ін. типів.

Інтенсивність слабких процесів швидко зростає із зростанням енергії. Так, бета-розпад нейтрону, енерговиділення в к-ром мало (~1 МеВ), триває бл. 10 3 с, що в 10 13 разів більше, ніж час життя-гіперону, енерговиділення при розпаді якого становить ~100 МеВ. Перетин взаємодії з нуклонами для нейтрино з енергією ~100 ГеВ прибл. в мільйон разів більше, ніж для нейтрино з енергією ~1 МеВ. По теоретич. уявленням, зростання перерізу триватиме до енергій порядку дек. сотень ГеВ (у системі центру інерції частинок, що стикаються). При цих енергіях і великих передачах імпульсів проявляються ефекти, пов'язані з існуванням проміжних векторних бозонів. На відстанях між частинками, що стикаються, багато менших 2*10 -16 см (комптонівської довжини хвилі проміжних бозонів), С. в. і ел-магн. взаємодії мають практично однакову інтенсивність.

наиб. поширений процес, обумовлений С. в.,- бета-розпадрадіоактивних атомних ядер У 1934 Е. Фермі (Е. Fermi) побудував теорію-розпаду, до-раю з деякими істот. модифікаціями лягла основою наступної теорії т. зв. універсального локального чотириферміонного С. ст. (Взаємодії Фермі). Відповідно до теорії Фермі, електрон і нейтрино (точніше, ), що вилітають з радіоактивного ядра, не знаходилися в ньому до цього, а виникли в момент розпаду. Це явище аналогічне випромінюванню фотонів низької енергії ( видимого світла) збудженими атомами чи фотонів високої енергії(Квантів) збудженими ядрами. Причиною таких процесів є взаємодія електрич. частинок з ел-магн. полем: заряджена частка, що рухається, створює електромагнітний струм, який обурює ел-магн. поле; внаслідок взаємодії частка передає енергію квантам цього поля - фотонам. Взаємодія фотонів з ел-магн. струмом описується виразом А. Тут е- Елементарний електрич. заряд, що є константою ел-магн. взаємодії (див. Константа взаємодії), А- оператор фотонного поля (тобто оператор народження та знищення фотона), j ем - оператор щільності ел-магн. струму. (Часто у вираз для ел-магн. струму включають також множник е.) У j ем дають вклад все зарядж. частки. Напр., доданок, що відповідає електрону, має вигляд:, де оператор знищення електрона або народження позитрона, а оператор народження електрона або знищення позитрона. [Вище для спрощення не показано, що j ем, так само як А, є чотиривимірним вектором Точніше, замість слід писати сукупність чотирьох висловів де - Діра матриці,= 0, 1, 2, 3. Кожен із цих виразів множиться на відповідну компоненту чотиривимірного вектора.]

Взаємодія описує як випромінювання і поглинання фотонів електронами і позитронами, а й такі процеси, як народження фотонами електрон-позитронних пар (див. Народження пар)або анігіляціяцих пар у фотони. Обмін фотоном між двома зарядами. частинками призводить до взаємодії їх одна з одною. В результаті виникає, напр., розсіювання електрона протоном, який схематично зображується Фейнмана діаграмою, представлена ​​на рис. 1. При переході протона в ядрі з одного рівня на інший це ж взаємодія може призвести до народження електрон-позитронної пари (рис. 2).

Теорія-розпаду Фермі по суті аналогічна теорії ел-магн. процесів. Фермі поклав основою теорії взаємодія двох «слабких струмів» (див. Струму квантовій теорії поля), але взаємодіючих між собою не на відстані шляхом обміну часткою - квантом поля (фотоном у разі ел-магн. взаємодії), а контактно. Це взаємодія між чотирма ферміонними полями (чотирма ферміонами р, п, е та нейтрино v) в суч. позначення має вигляд: . Тут G F- константа Фермі, або константа слаоого чотириферміонного взаємодії, експерим. значення до-рой ерг*см 3 (величина має розмірність квадрата довжини і в одиницях константа , де М- маса протона), - оператор народження протона (знищення антипротону), - оператор знищення нейтрону (народження антинейтрону), - оператор народження електрона (знищення позитрону), v - Оператор знищення нейтрино (народження антинейтрино). (Тут і надалі оператори народження та знищення частинок позначені символами відповідних частинок, набраними напівжирним шрифтом.) Струм, що переводить нейтрон у протон, отримав згодом назву нуклонного, а струм - лептонного. Фермі постулював, що, подібно ел-магн. струму, слабкі струми також є чотиривимірними векторами: Тому взаємодія Фермі зв. вектор.

Подібно до народження електрон-позитронної пари (рис. 2),-розпад нейтрону може бути описаний схожою діаграмою (рис. 3) [античастинки позначені значком «тильда» над символами відповідних частинок]. Взаємодія лептонного та нуклонного струмів має призводити і до інших процесів, напр. до реакції (рис. 4), до пар (рис. 5) та і т.д.

Істот. Відмінністю слабких струмів і від електромагнітного є те, що слабкий струм змінює заряд частинок, у той час як ел-магн. Струм не змінює: слабкий струм перетворює нейтрон на протон, електрон на нейтрино, а електромагнітний залишає протон протоном, а електрон електроном. Тому слабкі токії ev зв. зарядженими струмами. Відповідно до такої термін логії, звичайний ел-магн. струм її є нейтральним струмом.

Теорія Фермі спиралася на результати досліджень у трьох раз. областях: 1) Експерім. дослідження власне С. в. (розпад), що призвели до гіпотези про існування нейтрино; 2) експеримент. дослідження сильної взаємодії (), що призвели до відкриття протонів та нейтронів та до розуміння того, що ядра складаються з цих частинок; 3) експеримент. та теоретич. дослідження ел-магн. взаємодії, в результаті яких брало закладений фундамент квантової теоріїполя. Подальший розвитокфізики елементарних частинок неодноразово підтверджувало плідну взаємозалежність досліджень сильного, слабкого та ел-магн. взаємодій.

Теорія універсального чотириферміонного С. ст. відрізняється від теорії Фермі у низці істот, пунктів. Ці відмінності, встановлені за наступні роки внаслідок вивчення елементарних частинок, звелися до наступного.

Гіпотеза у тому, що З. в. не зберігає парність, була висунута Лі Цзундао (Lee Tsung-Dao) та Янг Чженьніном (Yang Chen Ning) у 1956 за теоретич. дослідженні розпадів К-мезонів;незабаром незбереження Р- і С-четностей було виявлено експериментально в розпаді ядер [By Цзяньсун (Wu Chien-Shiung) зі співробітниками], в розпаді мюона [Р. Гарвін (R. Garwin), Л. Ледерман (L. Lederman), Ст Телегді (V. Telegdi), Дж. Фрідман (J. Friedman) та ін] і в розпадах ін частинок.

Узагальнюючи величезний експеримент. матеріал, М. Гелл-Ман (М. Gell-Mann), P. Фейнман (R. Feynman), P. Маршак (R. Marshak) та Е. Сударшан (Е. Sudarshan) у 1957 запропонували теорію універсального С. ст. - Т.зв. V - А-Теорію. У формулюванні, заснованій на кварковій структурі адронів, ця теорія полягає в тому, що повний слабкий заряджений струм j u є сумою лептонних і кваркових струмів, причому кожен з цих елементарних струмів містить одну і ту ж комбінацію діраківських матриць:

Як з'ясувалося згодом, заряд. лептонний струм, представлений теоретично Фермі одним членом, є сумою трьох доданків: причому кожен із відомих зарядів. лептонів (електрон, мюон та важкий лептон) входить у заряд. струм зі своїм нейтрино.

Заряд. адронний струм, представлений теоретично Фермі членом, є сумою кваркових струмів. До 1992 відомо п'ять типів кварків , з яких брало побудовані всі відомі адрони, і передбачається існування шостого кварку ( tз Q =+ 2/3). Заряджені кваркові струми, так само як і лептонні струми, зазвичай записують у вигляді суми трьох доданків:

Однак тут є лінійними комбінаціями операторів d, s, b, так що кварковий заряджений струм складається з дев'яти доданків. Кожен із струмів є сумою векторного та аксіального струмів з коефіцієнтами, рівними одиниці.

Коефіцієнти дев'яти заряджених кваркових струмів зазвичай представляють у вигляді матриці 3x3, яка параметризується трьома кутами і фазовим множником, що характеризує порушення СР-інваріантностіу слабких розпадах. Ця матриця одержала назв. матриці Кобаяші – маскави (М. Kobayashi, T. Maskawa).

Лагранжіан С. ст. заряджених струмів має вигляд:

Едіток, сполучений і т. д.). Така взаємодія заряджених струмів кількісно визначає велику кількість слабких процесів: лептонних, напівлептонних ( і т. д.) та нелептонних ( ,, і т.д.). Багато з цих процесів було відкрито після 1957. За цей період було відкрито також два принципово нові явища: порушення СР-інваріантності та нейтральні струми.

Порушення СР-інваріантності було виявлено в 1964 в експерименті Дж. Крістепсона (J. Christenson), Дж. Кроніна (J. Cronin), В. Фітча (V. Fitch) і Р. Терлі (R. Turley), які спостерігали розпад довгоживучих К-мезонів на два-мезони. Пізніше порушення СР-інваріантності спостерігалося також напівлептонних розпадах. Для з'ясування природи СР-неінваріантної взаємодії було б украй важливим знайти к-л. СР-неінваріантний процес у розпадах або взаємодіях ін. частинок. Зокрема, великий інтерес представляють пошуки дипольного моменту нейтрону (наявність якого означало б порушення інваріантності щодо звернення часу, а отже, відповідно до теореми СРТ, та СР-інваріантності).

Існування нейтральних струмів було передбачено єдиною теорією слабкого і ел-магн. взаємодій, створеної у 60-х роках. Ш. Глешоу (Sh. Glashow), С. Вайнбергом (S. Weinberg), А. Саламом (A. Salam) та ін і пізніше отримала назву. стандартної теорії електрослабкої взаємодії Відповідно до цієї теорії, С. в. не є контактною взаємодією струмів, а відбувається шляхом обміну проміжними векторними бозонами ( W + , W - , Z 0)- масивними частинками зі спином 1. При цьому-бозони здійснюють взаємодію заряду. струмів (рис. 6), а Z 0-бозони - нейтральні (рис. 7). У стандартній теорії три проміжні бозони і фотон є векторними квантами, т.з. калібрувальних полів, що виступають при асимптотично великих передачах чотиривимірного імпульсу ( , m z, де m w , m z- маси W- і Z-бозонів в енергетич. одиницях) абсолютно рівноправно. Нейтральні струми були виявлені у 1973 у взаємодії нейтрино та антинейтрино з нуклонами. Пізніше було знайдено процеси розсіювання мюонного нейтрино на електроні, і навіть ефекти незбереження парності у взаємодії електронів з нуклонами, зумовлені електронним нейтральним струмом (ці ефекти вперше спостерігалися в дослідах незбереження парності при атомних переходах, проведених у Новосибірську М. Бар. С. Золоторьовим, а також в експериментах з розсіювання електронів на протонах та дейтронах у США).

Взаємодія нейтральних струмів описується відповідним членом у лагранжіані С. в.:

де – безрозмірний параметр. У стандартній теорії (експерім. значення р збігається з 1 в межах одного відсотка експерим. точності та точності розрахунку радіаційних поправок). Повний слабкий нейтральний струм містить вклади всіх лептонів та всіх кварків:

Дуже важливим властивістюнейтральних струмів і те, що вони діагональні, т. е. переводять лептони (і кварки) самих у собі, а чи не в ін. лептони (кварки), як у разі заряджених струмів. Кожен з 12 кваркових і лептонних нейтральних струмів є лінійною комбінацією аксіального струму з коеф. I 3та векторного струму з коеф. , де I 3- третя проекція т.з. слабкого ізотопічного спина, Q- заряд частки, а - Вайнберга кут.

Необхідність існування чотирьох векторних полів проміжних бозонів W + , W -, Z 0і фотона Аможна пояснити слід. чином. Як відомо, в ел-магн. взаємодії електрич. заряд грає подвійну роль: з одного боку, він є величиною, що зберігається, а з іншого - джерелом ел-магн. поля, що здійснює взаємодію між зарядженими частинками (константа взаємодії е). Така роль електрич. заряду забезпечується калібрувальною , що полягає в тому, що ур-ня теорії не змінюються, коли хвильові ф-ції заряджених частинок множаться на довільний фазовий множник, що залежить від просторово-часової точки [локальна симетрія U(1)], і при цьому ел-магн. поле, що є калібрувальним, перетворюється . Перетворення локальної групи U(1)з одним типом заряду і одним калібрувальним полем комутують один з одним (така група зв. Вказана властивість електрич. заряду послужило вихідним пунктом для побудови теорій та інших типів взаємодій. У цих теоріях величини, що зберігаються (напр., ізотопіч. спин) є одночасно джерелами нек-рих калібрувальних полів, що переносять взаємодію між частинками. У разі дек. типів «зарядів» (напр., розл. проекцій ізотопіч. спина), коли отд. перетворення не комутують один з одним (неабелева група перетворень), виявляється необхідним введення дек. калібрувальних полів. (Мультиплети калібрувальних полів, що відповідають локальним неабельним симетріям, зв. Янга - Міллса полями.) Зокрема, щоб ізотопіч. спин [до-рому відповідає локальна група SU(2)]виступав як константа взаємодії, необхідні три калібрувальні поля з зарядами1 і 0. Т. до. в С. в. беруть участь заряджені струми пар частинок і т. д., то вважають, що ці пари є дублетами групи слабкого ізоспину, тобто групи SU(2). Інваріантність теорії щодо локальних перетворень групи SU(2) вимагає, як зазначалося, існування триплету безмасових калібрувальних полів W+, W - , W 0, джерелом яких є слабкий ізоспін (константа взаємодії g). За аналогією з сильною взаємодією, в до-ром гіперзаряд Yчастинки, що входить до ізотопіч. мультиплет визначається ф-лой Q = I 3 + Y/2(де I 3- третя проекція ізоспину, a Q- Електрич. заряд), поряд зі слабким ізоспіном вводять слабкий гіперзаряд. Тоді збереження електрич. заряду та слабкого ізоспину відповідає збереження слабкого гіперзаряду [група [ U(1)]. Слабкий гіперзаряд є джерелом нейтрального калібрувального поля У 0(Константа взаємодії g"). Дві взаємно ортогональні лінійні суперпозиції полів °і W°описують поле фотона Ата поле Z-бозону:

де . Саме величина кута визначає структуру нейтральних струмів. Вона ж визначає зв'язок між константою g, Що характеризує взаємодію-бозонів зі слабким струмом, і константою е, Що характеризує взаємодію фотона з електрич. струмом:

Для того, щоб С. в. мало короткодіючий характер, проміжні бозони повинні бути масивними, в той час як кванти вихідних калібрувальних полів. - Безмасові. Відповідно до стандартної теорії, виникнення маси у проміжних бозонів відбувається при спонтанному порушенні симетрії SU(2) X U(1)до U(1) ем. При цьому одна із суперпозицій полів У 0і W 0- фотон ( А) залишається безмасової, а-і Z-бозони набувають маси:

Експерим. дані щодо нейтральних струмів давали . Цьому відповідали очікувані маси W-і Z-бозонів відповідно та

Для виявлення W- та Z-бозонів створені спец. установки, в яких брало ці бозони народжуються при зіткненнях зустрічних пучкові високої енергії. Перша-установка почала працювати в 1981 в ЦЕРНі. У 1983 з'явилися повідомлення про детектування в ЦЕРН перших випадків народження проміжних векторних бозонів. У 1989 р. були опубліковані дані про народження W- І Z-бозонів на американському протон-антипротонному колайдері - Теватроні, у Ферміївській національній прискорювальній лабораторії (FNAL) До кін. 1980-х рр. повне число W- і Z-бозонів, що спостерігалися на протон-антипротонних колайдерах у ЦЕРН і FNAL, обчислювалося сотнями.

У 1989 запрацювали електрон-позитроїні колайдери LEP в ЦЕРН і SLC в Стенфордському лінійному прискорювальному центрі (SLAC). Особливо успішною виявилася робота LEP, де до початку 1991 року було зареєстровано понад півмільйона випадків народження та розпаду Z-бозонів. Вивчення розпадів Z-бозонів показало, що жодних інших нейтрино, крім відомих раніше, у природі немає. З високою точністюбула виміряна маса Z-бозону: т z = 91,173 0,020 ГеВ (маса W-бозону відома з значно гіршою точністю: m w= 80,220,26 ГеВ). Вивчення властивостей W- і Z-бозонів підтвердило правильність основної (калібрувальної) ідеї стандартної теорії електрослабкої взаємодії. Однак для перевірки теорії в повному обсязінеобхідно також експериментально досліджувати механізм спонтанного порушення симетрії. У рамках стандартної теорії джерелом спонтанного порушення симетрії є спеціальне ізодублетне скалярне поле, що володіє специфічністю. самодіяльністю де - безрозмірна константа, а константа h має розмірність маси . Мінімум енергії взаємодії досягається при, і, т. о., нижчий енергетич. стан – вакуум – містить ненульове вакуумне значення поля. Якщо цей механізм порушення симетрії справді здійснюється у природі, то мають існувати елементарні скалярні бозони – т.з. Хіггса бозон(Кванти поля Хіггса). Стандартна теорія передбачає існування як мінімум одного скалярного бозона (він повинен бути нейтральний). У складніших варіантах теорії є дек. таких частинок, причому деякі з них - заряджені (при цьому можливо). На відміну від проміжних бозонів, маси хіггсових бозонів теорією не передбачаються.

Калібрувальна теорія електрослабкої взаємодії перенормована: це означає, зокрема, що амплітуди слабких і ел-магн. процесів можна обчислювати за теорією обурень, причому вищі поправки малі, як і звичайній квантової (див. Перенормованість).(На відміну від цього чотири-ферміонна теорія С. в. неперенормована і не є внутрішньо несуперечливою теорією.)

Існують теоретич. моделі Великого об'єднання, у яких брало як група електрослабкої взаємодії, так і група SU(3) сильної взаємодії є підгрупами єдиної групи, що характеризується єдиною константою калібрувальної взаємодії. Ще більше фундам. моделях ці взаємодії поєднуються з гравітаційними (т.з. супероб'єднання).

Літ.:У Ц. С., Мошковський С. А., Бета-розпад, пров. з англ., М., 1970; Вайнберг С., Єдині теоріївзаємодії елементарних частинок, пров. з англ., "УФН", 1976, т. 118, ст. 3, с. 505; Тейлор Д ж., Калібрувальні теорії слабких взаємодій, пров. з англ., М., 1978; Дорогою до єдиної теорії поля. Зб. ст., Перекази, М., 1980; Окунь Л. Би., Лептони та кварки, 2 видавництва, М., 1990. Л. Б. Окунь.

Час подібний до річки, що несе події, що проходять повз, і течія її сильно; тільки щось здасться вам на очі - а його вже забрало, і видно щось інше, що теж незабаром понесе.

Марк Аврелій

Кожен із нас прагне створити цілісну картину світу, включаючи картину Всесвіту, від найдрібніших субатомних частинок до найбільших масштабів. Але закони фізики часом настільки дивні та контрінтуїтивні, що це завдання може стати непосильним для тих, хто не став професійними теоритичними фізиками.

Читач запитує:

Хоча це і не астрономія, але, можливо, ви підкажете. Сильне взаємодія переноситься глюонами і пов'язує кварки та глюони разом. Електромагнітне переноситься фотонами та пов'язує електричні заряджені частинки. Гравітація, ймовірно, переноситься гравітонами та пов'язує всі частинки з масою. Слабке переноситься W та Z частинками, і … пов'язане з розпадом? Чому слабку взаємодію описують саме так? Чи відповідальна слабка взаємодія за тяжіння та/або відштовхування будь-яких частинок? І яких? А якщо ні, чому тоді це одна з фундаментальних взаємодій, якщо вона не пов'язана з жодними силами? Дякую.

Давайте розберемося в основах. У всесвіті існує чотири фундаментальні взаємодії – гравітація, електромагнетизм, сильна ядерна взаємодія та слабка ядерна взаємодія.

І все це – взаємодії, сили. Для частинок, стан яких можна виміряти, додаток сили змінює її момент – у звичайному житті у разі ми говоримо про прискоренні. І для трьох із зазначених сил це так і є.

У разі гравітації, загальна сума енергії (в основному маси, але сюди входить вся енергія) викривляє простір-час, і рух решти всіх частинок змінюється в присутності всього, що має енергію. Так воно працює у класичній (не квантовій) теорії гравітації. Може, і є загальніша теорія, квантової гравітації, де відбувається обмін гравітонами, що призводить до того, що ми спостерігаємо як гравітаційну взаємодію.

Перед тим, як продовжити, з'ясуйте:

1. Частки мають властивість або щось притаманне їм, що дозволяє їм відчувати (або не відчувати) певний тип сили
2. Інші частки, які переносять взаємодії, взаємодіють із першими
3. Внаслідок взаємодій частки змінюють момент, або прискорюються

В електромагнетизм основна властивість - електричний заряд. На відміну від гравітації, може бути позитивним чи негативним. Фотон, частка, що переносить взаємодію, пов'язану із зарядом, призводить до того, що однакові заряди відштовхуються, а розрізняються – притягуються.

Варто зазначити, що заряди, що рухаються, або електричні струми, відчувають ще один прояв електромагнетизму - магнетизм. З гравітацією відбувається те саме, і називається гравітомагнетизм (або гравітоелектромагнетизм). Поглиблюватися не будемо – суть у тому, що є не лише заряд та переносник сили, а й струми.

Є ще сильна ядерна взаємодія, яка має три типи зарядів. Хоча у всіх частинок є енергія, і вони всі схильні до гравітації, і хоча кварки, половина лептонів і пара бозонів містять електричні заряди - тільки у кварків і глюонів є кольоровий заряд, і вони можуть відчувати сильну ядерну взаємодію.

Мас скрізь багато, тож гравітацію спостерігати легко. А оскільки сильна взаємодія та електромагнетизм досить сильні, їх також легко спостерігати.

Але що щодо останнього? Слабкої взаємодії?

Про нього ми зазвичай говоримо у контексті радіоактивного розпаду. Тяжкі кварк або лептон розпадаються на легкі та стабільніші. Так, слабка взаємодія має до цього стосунок. Але в цьому прикладі воно якось відрізняється від інших сил.

Виявляється, що слабка взаємодія теж сила, просто про неї нечасто розповідають. Адже вона слабка! У 10 000 000 разів слабше, ніж електромагнетизм, на дистанції завдовжки діаметр протона.

Заряджена частка завжди має заряд, незалежно від того, рухається вона чи ні. Але електричний струм, створюваний нею, залежить від її руху щодо інших часток. Струм визначає магнетизм, який так само важливий, як і електрична частина електромагнетизму. У складових частинок на кшталт протона і нейтрону є суттєві магнітні моменти, як і електрона.

Кварки та лептони бувають шести ароматів. Кварки - верхній, нижній, дивний, зачарований, чарівний, істинний (згідно з їх літерними позначеннями в латиниці u, d, s, c, t, b - up, down, strange, charm, top, bottom). Лептони – електрон, електрон-нейтрино, мюон, мюон-нейтрино, тау, тау-нейтрино. Кожен з них має електричний заряд, але також і аромат. Якщо ми об'єднаємо електромагнетизм і слабку взаємодію, щоб отримати електрослабку взаємодію, то у кожної з частинок буде якийсь слабкий заряд, або електрослабкий струм, і константа слабкої взаємодії. Все це описано в Стандартній моделі, але перевірити це було досить складно, оскільки електромагнетизм настільки сильний.

У новому експерименті, результати якого нещодавно були опубліковані, вперше було виміряно внесок слабкої взаємодії. Експеримент дозволив визначити слабку взаємодію верхніх та нижніх кварків

І слабкі заряди протону та нейтрону. Передбачення Стандартної моделі для слабких зарядів були такі:

Q W (p) = 0.0710 ± 0.0007,
Q W (n) = -0.9890±0.0007.

А за результатами розсіювання експеримент видав такі значення:

Q W (p) = 0.063 ± 0.012,
Q W (n) = -0.975±0.010.

Що добре співпадає з теорією з урахуванням похибки. Експериментатори кажуть, що, обробивши більше даних, вони ще зменшать похибку. І якщо там будуть якісь сюрпризи чи розбіжності зі Стандартною моделлю, це буде круто! Але на це ніщо не вказує:

Тому частинки мають слабкий заряд, але ми про нього не поширюємося, оскільки його неможливо важко виміряти. Але ми все-таки зробили це, і зважаючи на все, знову підтвердили Стандартну модель.