Слабка взаємодія

Матеріал з Вікіпедії — вільної енциклопедії.
Перейти до: навігація, пошук

Слабка́ взаємоді́я — одна з чотирьох фундаментальних фізичних взаємодій між елементарними частинками поряд із гравітаційною, електромагнітною і сильною взаємодією. Найвідомішим її проявом є бета-розпад і пов'язана з ним радіоактивність. Взаємодія названа слабкою, оскільки напруженість відповідного їй поля в 1013 менша, ніж у полів, що утримують разом ядерні частинки (нуклони і кварки) і в 1010 менша за кулонівську на цих масштабах, проте значно сильніша ніж гравітаційна. Взаємодія має короткий радіус дії і проявляється лише на відстанях порядку розміру атомного ядра. Вважається, що вона характерна для кварків і лептонів, включно з нейтрино. Частинками-переносниками слабкої взаємодії є W- і Z-бозони - дуже масивні елементарні частинки з масами порядку десятків мас протона.

Першу теорію слабкої взаємодії запропонував Енріко Фермі у 1930. При розробці теорії він використав гіпотезу Вольфганга Паулі про існування нової на той час елементарної частинки нейтрино.

Характерний час та інтенсивність процесів[ред.ред. код]

Слабка взаємодія описує ті процеси ядерної фізики та фізики елементарних частинок, які відбуваються відносно повільно, напротивагу швидким процесам, зумовленим сильною взаємодією. Наприклад, період напіврозпаду нейтрона становить приблизно 16 хв. — вічність у порівнянні з ядерними процесами, для яких характерний час становить 10−23 с.

Для порівняння заряджені піони π± розпадаються через слабку взаємодію і мають час життя 2.6033 ± 0.0005 × 10−8 c, тоді як нейтральний піон π0 розпадається на два гамма-кванти через електромагнітну взаємодію і має час життя 8.4 ± 0.6 × 10−17 c.

Інша характеристика взаємодії - довжина вільного пробігу частинок в речовині. Частинки, які взаємодіють через електромагнітну взаємодію - заряджені частинки, гамма-кванти, можна затримати залізною плитою товщиною в кілька десятків сантиметрів. Тоді як нейтрино, що взаємодіє лише слабко, проходить, не зіткнувшись ні разу, через шар металу товщиною мільярд кілометрів.

Частинки, здатні до слабкої взаємодії[ред.ред. код]

У слабкій взаємодії беруть участь кварки і лептони, у тому числі нейтрино. При цьому змінюється аромат частинок, тобто їхній тип. Наприклад, у результаті розпаду нейтрона один з його d-кварків перетворюється на u-кварк. Нейтрино унікальні тим, що взаємодіють із іншими частинками тільки через слабку, й ще слабшу гравітаційну взаємодію.

За сучасними уявленнями, сформульованими в Стандартній моделі, слабка взаємодія переноситься калібрувальними W- і Z- бозонами, які були виявлені на прискорювачах у 1982. Їхні маси становлять 80 і 90 мас протона. Обмін віртуальними W-бозонами називають зарядженим струмом, обмін Z-бозонами - нейтральним струмом.

Вершини діаграм Фейнмана, що описують можливі процеси за участю калібрувальних W- і Z- бозонів можна розділити на три типи:

  1. лептон може випромінити або поглинути W-бозон, і перетворитися в нейтрино;
  2. кварк може випромінити або поглинути W-бозон, і змінити свій аромат, перетворившись у суперпозицію інших кварків;
  3. лептон або кварк може поглинути або випромінити Z-бозон

Здатність частинки до слабкої взаємодії описується квантовим числом, що називається слабкий ізоспін. Можливі значення ізоспіну для частинок, що можуть обмінюватися W і Z бозонами, ±12. Саме ці частинки взаємодіють через слабку взаємодію. Не взаємодіють через слабку взаємоідію частинки із нульовим слабким ізоспіном, для яких процеси обміну W і Z бозонами неможливі. Слабкий ізоспін зберігається в реакціях між елементарними частинками. Це означає, що сумарний слабкий ізоспін усіх частинок, які беруть участь в реакції, залишається незмінним, хоча типи частинок можуть при цьому мінятися.

Порушення парності[ред.ред. код]

Особливістю слабкої взаємодії є те, що вона порушує парність, оскільки здатність до слабкої взаємодії через заряджені струми мають тільки ферміони з лівою хіральністю і античастинки ферміонів із правою хіральністю. Незбереження парності в слабкій взаємодії відкрили Янг Чженьнін та Лі Цзундао, за що отримали Нобелівську премію з фізики за 1957 рік. Причину незбереження парності вбачають у спонтанному порушенні симетрії. В рамках Стандартної моделі за порушення симетрії відповідає бозон Хіггса.

При слабкій взаємодії порушується також CP симетрія. Це порушення було виявлено експериментально в 1964 році в експериментах із каонами. Автори відкриття Джеймс Кронін та Вал Фітч нагороджені Нобелівською премією за 1980. Незбереження CP-симетрії відбувається набагато рідше, ніж порушення парності. Воно означає також, оскільки збереження CPT-симетрія опирається на фундаментральні фізичні принципи - перетворення Лоренца та близькодію, можливість порушення T-симетрії, тобто неінваріантність фізичних процесів щодо зміни напрямку часу.

Електрослабка взаємодія[ред.ред. код]

У 1969 була побудована єдина теорія електромагнітної і слабкої ядерної взаємодії, за якою при енергіях порад 100 ГеВ, що відповідає температурі 1015 К різниця між електромагнітними і слабкими процесами зникає. Експериментальна перевірка єдиної теорії електрослабкої і сильної ядерної взаємодії потребує збільшення енергії прискорювачів у сто мільярдів разів.

Теорія електрослабкої взаємодії побудована на основі групи симетрії SU(2).

Значення для еволюції зірок[ред.ред. код]

Незважаючи на малу величину і короткодію, слабка взаємодія виконує дуже важливу роль в природі. Якби вдалось «вимкнути» слабку взаємодію, то Сонце погасло б, оскільки став би неможливим процес перетворення протона в нейтрон, позитрон і нейтрино, в результаті якого 4 протони перетворюються в 4He, два позитрони і два нейтрино. Цей процес служить основним джерелом енергії для Сонця і більшості зірок (див. Водневий цикл). Процеси слабкої взаємодії важливі для еволюції зірок, оскільки вони зумовлюють втрати енергії дуже гарячих зірок у вибухах наднових з утворенням пульсарів, і т.д. Якби не було слабкої взаємодії в природі були б стабільні і широко поширені в звичайній речовині мюони, пі-мезони та інші частинки. Настільки важлива роль слабкої взаємодії повязна з тим, що вона не підкоряється низці заборон, характерних для сильної і елетромагнітної взаємодій. Зокрема, слабка взаємодія перетворює заряджені лептони в нейтрино, а кварки одного аромату - в кварки іншого.

Джерела[ред.ред. код]

  • Каденко І. М., Плюйко В. А. Фізика атомного ядра та частинок. — К.: ВПЦ "Київський університет", 2008. — 414 с.
  • Физическая энциклопедия / Под ред. А. М. Прохорова. — М.: Большая российская энциклопедия, 1994. — Т. 4. — 704 с.
  • Гротц К., Клапдор-Клайнгротхаус Г.В. Слабое взаимодействие в физике ядра, частиц и астрофизике. — М.: Мир, 1992. — 456 с.
  • Фрауэнфельдер Г., Хенли Э. Субатомная физика. — М.: Мир, 1979. — 736 с.
  • Широков Ю. М., Юдин Н. П. Ядерная физика. — М.: Наука, 1980. — 748 с.
  • Bromley D. A. Gauge Theory of Weak Interactions. — Springer, 2000. — ISBN 3-540-67672-4.


Фундаментальні взаємодії
Гравітація | Електромагнітна взаємодія | Слабка взаємодія | Сильна взаємодія