Svag interaktion

Den aktuella versionen av sidan har ännu inte granskats av erfarna bidragsgivare och kan skilja sig väsentligt från versionen som granskades den 26 december 2021; kontroller kräver 2 redigeringar .

Svag växelverkan är en grundläggande växelverkan som är ansvarig, särskilt för processerna av beta-sönderfall av atomkärnor och svaga sönderfall av elementarpartiklar , såväl som brott mot lagarna för bevarande av rumslig och kombinerad paritet i dem. Denna interaktion kallas svag eftersom de andra två interaktionerna som är signifikanta för kärnfysik och högenergifysik ( stark och elektromagnetisk ) kännetecknas av mycket större intensitet. Det är dock mycket starkare än den fjärde av de grundläggande interaktionerna, gravitation .

Svag interaktion har kort räckvidd - den manifesterar sig på avstånd som är ungefär 1000 gånger mindre än storleken på en proton , den karakteristiska interaktionsradien är 2⋅10 −18 m [1] .

Standardmodellen för elementarpartikelfysik beskriver den elektromagnetiska växelverkan och den svaga växelverkan som olika manifestationer av den förenade elektrosvaga växelverkan , vars teori utvecklades runt 1968 av S. Glashow , A. Salam och S. Weinberg . De fick 1979 års Nobelpris i fysik för detta arbete .

Bärarna för den svaga interaktionen är vektorbosonerna W + , W − och Z 0 . I det här fallet särskiljs interaktionen mellan de så kallade laddade svaga strömmarna och neutrala svaga strömmarna . Interaktionen mellan laddade strömmar (med deltagande av laddade bosoner W ± ) leder till en förändring av partikelladdningarna och omvandlingen av vissa leptoner och kvarkar till andra leptoner och kvarkar. Interaktionen mellan neutrala strömmar (med deltagande av den neutrala bosonen Z 0 ) förändrar inte partiklarnas laddningar och omvandlar leptoner och kvarkar till samma partiklar.

Studiens historia

1896 , när han arbetade med uransalter , upptäckte Henri Becquerel fenomenet radioaktivitet [2] . 1898-1899 fann Ernest Rutherford att radioaktiva atomer sänder ut partiklar av två typer, som han kallade alfa- och beta-partiklar [3] . År 1899 visade Stefan Meyers, Egon Ritter von Schweidlers , Friedries Gisils och A. Becquerels arbete att beta-partiklar avböjs av ett magnetfält och har en negativ laddning. År 1900 visade A. Becquerel att beta-partiklar har samma laddning -till- massa-förhållande som de elektroner som upptäcktes kort innan [4] .

År 1914 fann James Chadwick att i beta-sönderfallet av vismut - 210, kan de emitterade elektronerna ha godtyckliga energier. Detta stred vid första anblicken mot lagen om energibevarande. Också förbryllande var det faktum att även om den initiala och sista atomen lydde samma kvantstatistik , var elektronen inte, som förväntat, en Bose-partikel , utan hade en spin ½ [5] . För att lösa dessa motsättningar antog Wolfgang Pauli 1930 en hypotes att en neutral partikel emitteras tillsammans med en elektron under beta-sönderfall. Senare visades det att denna partikel är en neutrino [6] .

Med hjälp av Pauli-hypotesen utvecklade Enrico Fermi 1933 den första teorin om beta-förfall ( fyra-fermionteorin om den svaga interaktionen ). Intressant nog vägrades hans arbete att publiceras i tidskriften Nature , med hänvisning till artikelns överdrivna abstrakthet. Fermis teori är baserad på användningen av den andra kvantiseringsmetoden , liknande den som redan hade tillämpats vid den tiden för processerna för emission och absorption av fotoner . En av idéerna som uttrycktes i arbetet var också påståendet att partiklarna som emitterades från atomen från början inte fanns i den, utan föddes i en process av interaktion [6] .

1936-1937 upptäcktes myoner i kosmiska strålar , som ursprungligen ansågs vara bärare av kärnkrafter som förutspåtts av Hideki Yukawa . Antagandet om kärnkrafter bekräftades dock inte: myoner deltar inte i starka interaktioner ( pi-mesoner upptäcktes 1947 , vilket var de partiklar som förutspåtts av Yukawa) [7] . Därefter visades det att myoner och elektroner liknar varandra i många avseenden och i synnerhet kan myoner också fångas av en atomkärna i en process som liknar omvänt beta-sönderfall [6] .

Under lång tid trodde man att naturlagarna är symmetriska med avseende på spegelreflektion , det vill säga resultatet av ett experiment borde vara detsamma som resultatet av ett experiment som utförts på en spegelsymmetrisk uppställning. Denna symmetri under rymdinversion (som vanligtvis betecknas som P ) är relaterad till lagen om paritetsbevarande . Men 1956, medan de teoretiskt övervägde processen med K-mesons förfall, föreslog Yang Zhenning och Li Zongdao att den svaga kraften kanske inte skulle lyda denna lag. Redan 1957 bekräftade Wu Jiansongs grupp denna förutsägelse i ett β-förfallsexperiment, som gav Yang och Li 1957 års Nobelpris i fysik . Senare bekräftades samma faktum i sönderfallet av myonen och andra partiklar [1] .

För att förklara de nya experimentella fakta utvecklade Muray Gell-Mann , Richard Feynman , Robert Marshak och George Sudarshan 1957 en universell teori om den svaga växelverkan mellan fyra fermioner, kallad V − A - teorin [1] .

I ett försök att bevara största möjliga symmetri av interaktioner , föreslog L. D. Landau 1957 att även om P -symmetri bryts i svaga interaktioner, måste den kombinerade symmetrin CP bevaras i dem - en kombination av spegelreflektion och ersättning av partiklar med antipartiklar. Men 1964 fann James Cronin och Val Fitch ett svagt CP- brott i neutrala kaoners förfall . Det var den svaga interaktionen som också visade sig vara ansvarig för denna kränkning; dessutom förutspådde teorin i detta fall att utöver de två generationerna kvarkar och leptoner som var kända vid den tiden, borde det finnas minst en generation till. Denna förutsägelse bekräftades först 1975 med upptäckten av tauleptonen och sedan 1977 med upptäckten av b-kvarken . Cronin och Fitch fick 1980 års Nobelpris i fysik .

På 1960 -talet skapade Sheldon Lee Glashow , Steven Weinberg och Abdus Salam , på grundval av välutvecklad vid den tiden kvantfältteori , teorin om elektrosvaga interaktioner , som kombinerar de svaga och elektromagnetiska interaktionerna. De introducerade mätfält och kvanta av dessa fält — vektorbosoner W + , W − och Z 0 som bärare av den svaga interaktionen. Dessutom har förekomsten av hittills okända svaga neutrala strömmar förutspåtts . Dessa strömmar upptäcktes experimentellt 1973 när man studerade processerna för elastisk spridning av neutriner och antineutriner av nukleoner .

Egenskaper

Alla grundläggande fermioner ( leptoner och kvarkar ) deltar i den svaga interaktionen. Detta är den enda interaktionen i vilken neutrinos deltar [8] (inte räknande gravitationen , vars inflytande på individuella elementarpartiklar är försumbar). Detta förklarar den kolossala penetrerande kraften hos neutrinos, eftersom den verkar på ett mycket litet avstånd jämfört med storleken på partiklarna (den karakteristiska växelverkansradien är 2⋅10−18 m, vilket är ungefär 1000 gånger mindre än en protons storlek). Svag interaktion tillåter leptoner, kvarkar och deras antipartiklar att utbyta energi , massa , elektrisk laddning och kvanttal - det vill säga att förvandlas till varandra.

Den svaga kraften har fått sitt namn från det faktum att dess karakteristiska intensitet är mycket lägre än för elektromagnetism . I elementär partikelfysik kännetecknas intensiteten av interaktionen vanligtvis av hastigheten på de processer som orsakas av denna interaktion. Ju snabbare processerna fortskrider, desto högre blir interaktionens intensitet. Vid energier av interagerande partiklar av storleksordningen 1 GeV är den karakteristiska hastigheten för processer på grund av svag interaktion cirka 10 −10 s , vilket är cirka 11 storleksordningar längre än för elektromagnetiska processer, det vill säga för elementarpartikelfysik, svag processer är extremt långsamma processer [1] .

Ett annat kännetecken för intensiteten av interaktion är den genomsnittliga fria vägen för partiklar i ett ämne. Så för att stoppa en flygande hadron på grund av stark interaktion krävs en järnplatta som är flera centimeter tjock. Och en neutrino, som endast deltar i svaga interaktioner, kan flyga genom ett flera ljusår tjockt lager av järn utan interaktioner .

Bland annat har den svaga växelverkan en mycket liten aktionsradie - cirka 2⋅10 -18 m (detta är cirka 1000 gånger mindre än kärnans storlek). Det är av denna anledning som, trots att den svaga interaktionen är mycket mer intensiv än den gravitationella, vars räckvidd är obegränsad, spelar den en märkbart mindre roll. Till exempel, även för kärnor belägna på ett avstånd av 10 −10 m , är den svaga interaktionen svagare inte bara elektromagnetisk utan också gravitationell [1] .

I detta fall beror intensiteten av svaga processer starkt på energin hos de interagerande partiklarna. Ju högre energi, desto högre intensitet. Till exempel, på grund av den svaga interaktionen , sönderfaller neutronen , vars energifrisättning under beta-sönderfall är cirka 0,8 MeV , på cirka 10 3 s , och Λ-hyperonen , med en energifrisättning på cirka hundra gånger mer, redan om 10 −10 s . Detsamma gäller för energiska neutrinos: tvärsnittet för interaktion med en nukleon i en neutrino med en energi på 100 GeV är sex storleksordningar större än för en neutrino med en energi på cirka 1 MeV . Men vid energier i storleksordningen flera hundra GeV (i masscentrum- systemet av kolliderande partiklar) blir intensiteten av den svaga interaktionen jämförbar med energin för den elektromagnetiska interaktionen, som ett resultat av vilket de kan beskrivas på ett enhetligt sätt som den elektrosvaga interaktionen [1] .

Den svaga växelverkan är den enda av de grundläggande växelverkan som lagen om paritetsbevarande inte gäller , vilket innebär att de lagar som svaga processer lyder förändras när systemet speglas. Brott mot paritetsskyddslagen leder till det faktum att endast vänsterpartiklar ( vars spinn är riktad motsatt momentumet ) är föremål för svag interaktion, men inte de högra ( vars spinn är samriktad med momentumet ), och vice versa : de högra antipartiklarna interagerar svagt, men de vänstra är inerta [1] .

Förutom rumslig paritet bevarar den svaga interaktionen inte heller den kombinerade rymdladdningspariteten, det vill säga detta är den enda kända interaktionen som bryter mot CP - invariansprincipen [1] .

Teoretisk beskrivning

Fermi teori

Den första teorin om den svaga kraften utvecklades av Enrico Fermi på 1930-talet. Hans teori är baserad på en formell analogi mellan β-sönderfallsprocessen och elektromagnetiska fotonemissionsprocesser . Fermis teori bygger på samspelet mellan de så kallade hadron- och leptonströmmarna. I detta fall, till skillnad från elektromagnetism, antas det att deras interaktion är av kontaktkaraktär och inte innebär närvaron av en bärare som liknar en foton. I modern notation beskrivs interaktionen mellan de fyra huvudsakliga fermionerna (proton, neutron, elektron och neutrino) av en operator av formen [1]

{\frac {G_{F}}{\sqrt {2}}}{\hat {\overline {p}}}{\hat {n}}\cdot {\hat {\overline {e}}}{\ hatt {\nu ))

där är den så kallade Fermi-konstanten , numeriskt lika med i storleksordningen 10 −62 J⋅m³ eller ( är protonmassan) i enhetssystemet, där ; — protonfödelseoperatorn (eller antiprotonförintelse ), — neutronförintelseoperatorn ( antineutronfödelse ), — elektronfödelseoperatören ( positronförintelse ), — neutrinoannihilationsoperatorn (antineutrinofödelse). $G_{F}$ $10^{-5}/m_{p}^{2}$ $m_{p}$ $\hbar=c=1$ $\hat{\overline{p}}$ $\hat{n}$ $\hat{\överlinje{e))$ $\hat{\nu}$

Produkten som är ansvarig för omvandlingen av en neutron till en proton kallas nukleonström, och produkten som omvandlar en elektron till en neutrino kallas leptonström. Det antas att dessa strömmar, i likhet med elektromagnetiska strömmar, är 4-vektorer och ( är Dirac-matriser ). Därför kallas deras interaktion vektor [1] . $\hat{\overline{p}}\hat{n}$ ${\hat {\överlinje {e))}{\hat {\nu )),$ $\hat{\overline{p}}\gamma_{\mu}\hat{n}$ $\hat{\overline{e}}\gamma_{\mu}\hat{\nu}$ $\gamma_{\mu},~\mu=0\dots3$

Den väsentliga skillnaden mellan de svaga strömmarna som introduceras av Fermi och de elektromagnetiska är att de förändrar partiklarnas laddning: en positivt laddad proton blir en neutral neutron och en negativt laddad elektron blir en neutral neutrino. I detta avseende kallas dessa strömmar laddade strömmar [1] .

Universal VA-teori

Den universella teorin om den svaga interaktionen, även kallad V-A - teorin, föreslogs 1957 av M. Gell-Mann , R. Feynman , R. Marshak och J. Sudarshan . Denna teori tog hänsyn till det nyligen bevisade faktumet av paritetsöverträdelse ( P -symmetri) i fallet med svag interaktion. För detta representerades svaga strömmar som summan av vektorströmmen V och den axiella strömmen A (därav namnet på teorin) [1] .

Vektor- och axiella strömmar beter sig exakt likadant under Lorentz-transformationer . Men under rumslig inversion är deras beteende annorlunda: vektorströmmen förblir oförändrad under en sådan transformation, medan den axiella strömmen ändrar tecken, vilket leder till paritetsbrott. Dessutom skiljer sig strömmarna V och A i den så kallade laddningspariteten (de bryter C - symmetri) [1] .

Med hänsyn till tre generationer av elementarpartiklar representeras leptonströmmen som förekom i Fermi-teorin av summan av följande form

{\hat {\overline {e))}{\hat {\nu _{e))}+{\hat {\overline {\mu ))}{\hat {\nu _{\mu ))}+ {\hat {\overline {\tau }}}{\hat {\nu _{\tau }}},

där μ och τ betyder respektive myon och tau-lepton , och , och — elektron, myon och tau-neutrino [1] . $\nu_{e}$ $\nu _{\mu }$ $\nu_{\tau}$

På liknande sätt är den hadroniska strömmen summan av alla generationer av kvarkströmmar ( u är uppe, d är nere, c är charmad, s är konstigt, t är sant, b är charmkvark):

{\hat {\overline {u))}{\hat {d^{\prime }}}+{\hat {\overline {c}}}{\hat {s^{\prime }}}+{\ hatt {\överlinje {t}}}{\hat {b^{\prime }}}.

Till skillnad från leptonströmmen är dock här operatorerna och en linjär kombination av operatorer , och det vill säga haderonströmmen innehåller totalt inte tre utan nio termer. Dessa termer kan kombineras till en enda 3×3 -matris som kallas Cabibbo-Kobayashi-Maskawa-matrisen . Denna matris kan parametriseras med tre vinklar och en fasfaktor. Det senare kännetecknar graden av kränkning av CP -invarians i den svaga interaktionen [1] . ${\hat {d^{\prime ))},$ $\hat{s^\prime}$ $\hat{b^\prime}$ ${\hat {d}),$ $\hat{s}$ ${\hat {b}),$

Alla termer i den laddade strömmen är summan av vektorn och axiella operatorer med multiplikatorer lika med ett [1] .

V − A -teorin är baserad på formens Lagrangian

{\mathcal {L}}={\frac {G_{F}}{{\sqrt {2}}}}{\hat {j_{w}}}{\hat {j_{w}^{\dolk } }},

var är den laddade nuvarande operatorn, och är dess konjugat (erhållen genom substitution , etc.) [1] $\hat{j_w}$ $\hat{j_w^\dolk}$ ${\hat {\overline {e))}{\hat {\nu _{e))}\högerpil {\hat {\overline {\nu _{e)))){\hat {e)),$ $\hat{\overline{u}}\hat{d} \rightarrow \hat{\overline{d}}\hat{u}$

Weinberg-Salam-teorin

I sin moderna form beskrivs den svaga interaktionen som en del av en enda elektrosvag interaktion inom ramen för Weinberg-Salam-teorin . Det är en kvantfältteori med mätgrupp SU (2)× U (1) och spontant bruten vakuumtillståndssymmetri orsakad av Higgs-bosonfältets verkan . Beviset på renormaliserbarheten av en sådan modell av Martinus Veltman och Gerard 't Hooft [9] belönades med 1999 års Nobelpris i fysik .

I denna form ingår teorin om den svaga interaktionen i den moderna standardmodellen , och det är den enda interaktionen som bryter symmetrierna P och CP .

Enligt teorin om den elektrosvaga interaktionen är den svaga interaktionen inte en kontakt, utan har sina egna bärare - vektorbosoner W + , W - och Z 0 med massa som inte är noll och spinn lika med 1. Massan av dessa bosoner är ca 90 GeV /s², vilket orsakar en liten aktionsradie för svaga krafter.

I det här fallet är laddade bosoner W ± ansvariga för växelverkan mellan laddade strömmar, och förekomsten av en neutral boson Z 0 betyder förekomsten av neutrala strömmar också . Sådana strömmar har verkligen upptäckts experimentellt. Ett exempel på interaktion med deras deltagande är i synnerhet den elastiska spridningen av en neutrino av en proton. I sådana interaktioner bevaras både typen av partiklar och deras laddningar [1] .

För att beskriva interaktionen mellan neutrala strömmar måste Lagrangian kompletteras med en term av formen

{\mathcal {L}}={\frac {G_{F}\rho }{2{\sqrt {2}}}}{\hat {f_{0}}}{\hat {f_{0}}} ,

där ρ är en dimensionslös parameter, lika med enhet i standardteorin (experimentellt skiljer den sig från enhet med inte mer än 1%), är en självadjoint neutral strömoperator [1] . $\hat{f_0} = \hat{\overline{\nu_e}}\hat{\nu_e} + \dots + \hat{\overline{e}}\hat{e} + \dots + \hat{\overline{ u}}\hat{u} + \dots$

Till skillnad från laddade strömmar är den neutrala strömoperatören diagonal, det vill säga den översätter partiklar till sig själva och inte till andra leptoner eller kvarkar. Var och en av termerna för den neutrala strömoperatorn är summan av en vektoroperator med en multiplikator och en axialoperator med en multiplikator , där är den tredje projektionen av det så kallade svaga isotopiska spinnet , Q är partikelladdningen, är Weinberg vinkel . Vinkeln bestämmer strukturen för neutrala strömmar och förhållandet mellan konstanterna g och e för de svaga respektive elektromagnetiska interaktionerna [1] : $I_3$ $I_3 - 2Q\sin^2\theta_w$ $I_3$ $\theta_w$ $\theta_w$

e=g\sin \theta _{w}.

Roll i naturen

Svagt förfall

Svag interaktion kan också leda till att massiva partiklar sönderfaller till lättare. Denna typ av sönderfall kallas svagt sönderfall. I synnerhet är det just på grund av detta förfall som koncentrationerna av partiklar som myoner , π-mesoner , konstiga och charmade partiklar , är försumbara till sin natur. Faktum är att, till skillnad från andra typer av grundläggande interaktioner, följer den svaga interaktionen inte vissa förbud, vilket tillåter laddade leptoner att förvandlas till neutriner, och kvarkar av en smak till kvarkar med en annan smak [1] .

Beta-förfall

Ett viktigt specialfall av svagt sönderfall är neutronbeta-sönderfall , där en neutron spontant kan omvandlas till en proton , en elektron och en elektron antineutrino . Men som bekant minskar intensiteten av svaga sönderfall med minskande energi, så den karakteristiska halveringstiden för en neutron är ganska stor - cirka 10 10 −10 s [1] .

Beta-förfall är den viktigaste processen på grund av den svaga kraften. Beta-sönderfall är en av de tre huvudtyperna av radioaktivitet , som består av emission av en elektron och en antineutrino från kärnan med samtidig omvandling av en av neutronerna till en proton. Denna process upptäcktes i början av 1900-talet och fick en teoretisk förklaring först 1934. Enrico Fermi var den första som antydde att elektronen och antineutrino som emitteras under beta-sönderfall från kärnan inte finns i den innan dess, utan föds i sönderfallsögonblicket [1] .

Stjärnor

Trots kort räckvidd och relativ litenhet är det svaga samspelet viktigt för ett antal naturliga processer.

I synnerhet är det den svaga interaktionen som avgör förekomsten av en termonukleär reaktion , som är den huvudsakliga energikällan för de flesta stjärnor , inklusive solen , en helium-4- fusionsreaktion från fyra protoner med emission av två positroner och två neutriner .

Det första, långsammaste stadiet av termonukleär fusion beror mycket på omfattningen av den svaga interaktionen [10] . $H^{1}+H^{1}\högerpil H^{2}+e^{+}+\nu$

En viktig roll i evolutionen av stjärnor spelas också av andra processer som åtföljs av utsläpp av neutriner och på grund av närvaron av en svag interaktion. Neutrinokylning är en viktig faktor för energiförluster i mycket heta stjärnor, såväl som vid supernovaexplosioner [1] .

Anteckningar

↑ 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 13 14 15 16 17 18 19 20 21 22 23 24 L. B. Okun . Fysisk uppslagsverk : [i 5 volymer] / Kap. ed. A. M. Prokhorov . - M . : Great Russian Encyclopedia , 1994. - V. 4: Poynting - Robertson - Streamers. — S. 552–556. - 704 sid. - 40 000 exemplar. - ISBN 5-85270-087-8 .
↑ Atomens biografi, 1984 , sid. 21.
↑ Atomens biografi, 1984 , sid. 28-31.
↑ M. Malley. Historien om upptäckten av betastrålning // UFN . - 1973. - T. 109 . - S. 389-398 . Arkiverad från originalet den 13 september 2013.
↑ G. T. Zatsepin, A. Yu. Smirnov. Neutrino // Physical Encyclopedia : [i 5 volymer] / Kap. ed. A. M. Prokhorov . - M . : Soviet Encyclopedia (vol. 1-2); Great Russian Encyclopedia (bd 3-5), 1988-1999. — ISBN 5-85270-034-7 .
↑ 1 2 3 B. M. Pontecorvo . Sidor om neutrinofysikens utveckling // UFN . - 1983. - T. 141 . - S. 675-709 . Arkiverad från originalet den 13 september 2013.
↑ S. S. Gershtein. Muons // Fysisk uppslagsverk : [i 5 volymer] / Kap. ed. A. M. Prokhorov . - M . : Soviet Encyclopedia (vol. 1-2); Great Russian Encyclopedia (bd 3-5), 1988-1999. — ISBN 5-85270-034-7 .
↑ Grundläggande partiklar och interaktioner . Hämtad 13 juli 2014. Arkiverad från originalet 09 maj 2017. (obestämd)
↑ G. 't Hooft, M. Veltman. Regularization and Renormalization of Gauge Fields (engelska) // Nuclear Physics B. - 1972. - Vol. 44. - S. 189-219. - doi : 10.1016/0550-3213(72)90279-9 . — . Arkiverad från originalet den 7 juli 2012.
↑ Perkins D. Introduktion till högenergifysik. - M., Mir, 1975. - S. 152

Litteratur

K. Manolov, V. Tyutyunnik. Biografi av atomen. — M .: Mir, 1984. — 246 sid. — 50 000 exemplar.
Griffiths, David J. (1987) Introduktion till elementära partiklar, Wiley, John & Sons, Inc. ISBN 0-471-60386-4
A. Lesov. The Weak Force: Från Fermi till Feynman. – Avhandling, University of South Carolina, 2009.
Li Ts ., Wu Ts . Svag interaktion. - M. , Mir, 1968. - 307 sid.

Grundläggande interaktioner
Stark interaktion Svag interaktion Elektromagnetisk interaktion Gravitationsinteraktion