Svag interaktion

Den aktuelle version af siden er endnu ikke blevet gennemgået af erfarne bidragydere og kan afvige væsentligt fra den version , der blev gennemgået den 26. december 2021; checks kræver 2 redigeringer .

Svag interaktion er en grundlæggende interaktion , der især er ansvarlig for processerne af beta-henfald af atomkerner og svage henfald af elementære partikler , såvel som overtrædelser af lovene om bevarelse af rumlig og kombineret paritet i dem. Denne interaktion kaldes svag, fordi de to andre interaktioner, der er væsentlige for kernefysik og højenergifysik ( stærk og elektromagnetisk ) er karakteriseret ved meget større intensitet. Det er dog meget stærkere end den fjerde af de fundamentale interaktioner, gravitationel .

Svag interaktion er kortrækkende - den manifesterer sig ved afstande, der er cirka 1000 gange mindre end størrelsen af en proton , den karakteristiske interaktionsradius er 2⋅10 −18 m [1] .

Standardmodellen for elementarpartikelfysik beskriver den elektromagnetiske interaktion og den svage interaktion som forskellige manifestationer af den forenede elektrosvage interaktion , hvis teori blev udviklet omkring 1968 af S. Glashow , A. Salam og S. Weinberg . De modtog 1979 Nobelprisen i fysik for dette arbejde .

Bærerne af den svage interaktion er vektorbosonerne W + , W − og Z 0 . I dette tilfælde skelnes interaktionen mellem de såkaldte ladede svage strømme og neutrale svage strømme . Interaktionen af ladede strømme (med deltagelse af ladede bosoner W ± ) fører til en ændring i partikelladningerne og omdannelsen af nogle leptoner og kvarker til andre leptoner og kvarker. Interaktionen af neutrale strømme (med deltagelse af den neutrale boson Z 0 ) ændrer ikke partiklernes ladninger og omdanner leptoner og kvarker til de samme partikler.

Studiehistorie

I 1896, mens han arbejdede med uransalte , opdagede Henri Becquerel fænomenet radioaktivitet [2] . I 1898-1899 fandt Ernest Rutherford ud af, at radioaktive atomer udsender partikler af to typer, som han kaldte alfa- og beta-partikler [3] . I 1899 viste arbejdet af Stefan Meyer, Egon Ritter von Schweidler , Friedries Gisil og A. Becquerel, at beta-partikler afbøjes af et magnetfelt og har en negativ ladning. I 1900 viste A. Becquerel , at beta-partikler har samme ladning -til -masse-forhold som elektronerne opdaget kort før [4] .

I 1914 fandt James Chadwick ud af, at i beta-henfaldet af bismuth - 210, kan de udsendte elektroner have vilkårlige energier. Dette var ved første øjekast i modstrid med loven om energibevarelse. Også gådefuldt var det faktum, at selvom det indledende og endelige atom adlød de samme kvantestatistikker , var elektronen ikke, som forventet, en Bose-partikel , men havde et spin ½ [5] . For at løse disse modsætninger antog Wolfgang Pauli i 1930 , at en neutral partikel udsendes sammen med en elektron under beta-henfald. Senere blev det vist, at denne partikel er en neutrino [6] .

Ved at bruge Pauli-hypotesen udviklede Enrico Fermi i 1933 den første teori om beta-henfald ( fire-fermion-teorien om den svage interaktion ). Interessant nok blev hans arbejde nægtet at blive offentliggjort i tidsskriftet Nature , med henvisning til artiklens overdrevne abstrakthed. Fermis teori er baseret på brugen af den anden kvantiseringsmetode , svarende til den, der allerede var blevet anvendt på det tidspunkt for processerne med emission og absorption af fotoner . En af ideerne, der kom til udtryk i værket, var også påstanden om, at de partikler, der udsendes fra atomet, ikke oprindeligt var indeholdt i det, men blev født i vekselvirkningsprocessen [6] .

I 1936-1937 blev myoner opdaget i kosmiske stråler , som oprindeligt blev anset for at være bærere af nukleare kræfter forudsagt af Hideki Yukawa . Antagelsen vedrørende nukleare kræfter blev dog ikke bekræftet: myoner deltager ikke i stærke interaktioner ( pi-mesoner blev opdaget i 1947 , som var de partikler forudsagt af Yukawa) [7] . Efterfølgende blev det vist, at myoner og elektroner ligner hinanden i mange henseender, og især myoner kan også fanges af en atomkerne i en proces, der ligner omvendt beta-henfald [6] .

I lang tid troede man, at naturlovene er symmetriske med hensyn til spejlreflektion , det vil sige, at resultatet af ethvert eksperiment skulle være det samme som resultatet af et eksperiment udført på en spejlsymmetrisk opsætning. Denne symmetri under ruminversion (som normalt betegnes som P ) er relateret til paritetsbevarelsesloven . Men i 1956, mens Yang Zhenning og Li Zongdao teoretisk overvejede processen med K-meson-henfald, foreslog Yang Zhenning og Li Zongdao , at den svage kraft muligvis ikke ville adlyde denne lov. Så tidligt som i 1957 bekræftede Wu Jiansongs gruppe denne forudsigelse i et β-forfaldseksperiment, som gav Yang og Li 1957 Nobelprisen i fysik . Senere blev det samme faktum bekræftet i henfaldet af myonen og andre partikler [1] .

For at forklare de nye eksperimentelle fakta udviklede Muray Gell-Mann , Richard Feynman , Robert Marshak og George Sudarshan i 1957 en universel teori om den svage vekselvirkning mellem fire fermioner, kaldet V - A - teorien [1] .

I et forsøg på at bevare den maksimalt mulige symmetri af interaktioner , foreslog L. D. Landau i 1957, at selvom P -symmetri er overtrådt i svage interaktioner, skal den kombinerede symmetri CP bevares i dem - en kombination af spejlreflektion og erstatning af partikler med antipartikler. Men i 1964 fandt James Cronin og Val Fitch en svag CP- krænkelse i neutrale kaoners henfald . Det var den svage interaktion, der også viste sig at være ansvarlig for denne krænkelse; desuden forudsagde teorien i dette tilfælde, at der ud over de to generationer af kvarker og leptoner , der var kendt på det tidspunkt, skulle være mindst en generation mere. Denne forudsigelse blev først bekræftet i 1975 med opdagelsen af tau leptonen og derefter i 1977 med opdagelsen af b-kvarken . Cronin og Fitch modtog 1980 Nobelprisen i fysik .

I 1960'erne skabte Sheldon Lee Glashow , Steven Weinberg og Abdus Salam , på grundlag af den daværende veludviklede kvantefeltteori , teorien om elektrosvage interaktioner , som kombinerer de svage og elektromagnetiske interaktioner. De introducerede målefelter og kvanta af disse felter - vektorbosoner W + , W - og Z 0 som bærere af den svage interaktion. Derudover er eksistensen af hidtil ukendte svage neutrale strømme blevet forudsagt . Disse strømme blev opdaget eksperimentelt i 1973 , mens man studerede processerne for elastisk spredning af neutrinoer og antineutrinoer af nukleoner .

Egenskaber

Alle fundamentale fermioner ( leptoner og kvarker ) deltager i den svage interaktion. Dette er den eneste interaktion, hvori neutrinoer deltager [8] ( gravitation tæller ikke med , hvis indflydelse på individuelle elementarpartikler er ubetydelig). Dette forklarer den kolossale gennemtrængende kraft af neutrinoer, siden den virker på en meget lille afstand i forhold til partiklernes størrelse (den karakteristiske interaktionsradius er 2⋅10−18 m, hvilket er ca. 1000 gange mindre end en protons størrelse). Svag interaktion gør det muligt for leptoner, kvarker og deres antipartikler at udveksle energi , masse , elektrisk ladning og kvantetal - det vil sige at blive til hinanden.

Den svage kraft har fået sit navn fra det faktum, at dens karakteristiske intensitet er meget lavere end elektromagnetismens . I elementær partikelfysik er intensiteten af interaktionen sædvanligvis karakteriseret ved hastigheden af de processer, der forårsages af denne interaktion. Jo hurtigere processerne skrider frem, jo højere er interaktionens intensitet. Ved energier af vekselvirkende partikler af størrelsesordenen 1 GeV er den karakteristiske hastighed for processer på grund af svag vekselvirkning ca. 10 −10 s , hvilket er ca. 11 størrelsesordener længere end for elektromagnetiske processer, dvs. svag for elementær partikelfysik processer er ekstremt langsomme processer [1] .

Et andet kendetegn ved intensiteten af interaktion er den gennemsnitlige frie vej for partikler i et stof. Så for at stoppe en flyvende hadron på grund af stærk interaktion kræves der en plade af flere centimeter tyk jern. Og en neutrino, som kun deltager i svage interaktioner, kan flyve gennem et flere lysår tykt lag af jern uden interaktioner .

Blandt andet har den svage vekselvirkning en meget lille aktionsradius - omkring 2⋅10 -18 m (dette er ca. 1000 gange mindre end kernens størrelse). Det er af denne grund, at på trods af at den svage interaktion er meget mere intens end den gravitationelle, hvis rækkevidde er ubegrænset, spiller den en mærkbart mindre rolle. For eksempel, selv for kerner placeret i en afstand af 10 −10 m , er den svage interaktion svagere ikke kun elektromagnetisk, men også gravitationel [1] .

I dette tilfælde afhænger intensiteten af svage processer stærkt af energien af de interagerende partikler. Jo højere energi, jo højere intensitet. For eksempel på grund af den svage interaktion henfalder neutronen , hvis energifrigivelse under beta-henfald er ca. 0,8 MeV , på ca. 10 3 s , og Λ-hyperonen , med en energifrigivelse på ca. -10 s . Det samme gælder for energiske neutrinoer: Tværsnittet for interaktion med en nukleon af en neutrino med en energi på 100 GeV er seks størrelsesordener større end for en neutrino med en energi på omkring 1 MeV . Ved energier af størrelsesordenen flere hundrede GeV (i massecentersystemet af kolliderende partikler) bliver intensiteten af den svage interaktion imidlertid sammenlignelig med energien af den elektromagnetiske interaktion, som et resultat af hvilken de kan beskrives på en samlet måde som den elektrosvage interaktion [1] .

Den svage interaktion er den eneste af de fundamentale interaktioner, som paritetsbevaringsloven ikke gælder for , hvilket betyder, at de love, som svage processer adlyder, ændres, når systemet spejles. Overtrædelse af paritetsbevaringsloven fører til, at kun venstre partikler ( hvis spin er rettet modsat momentum ) er genstand for svag interaktion, men ikke de rigtige ( hvis spin er co-rettet med momentum ), og omvendt : de højre antipartikler interagerer svagt, men de venstre er inerte [1] .

Udover rumlig paritet bevarer den svage vekselvirkning heller ikke den kombinerede rum-ladningsparitet, det vil sige, at dette er den eneste kendte vekselvirkning, der overtræder CP - invariansprincippet [1] .

Teoretisk beskrivelse

Fermi teori

Den første teori om den svage kraft blev udviklet af Enrico Fermi i 1930'erne. Hans teori er baseret på en formel analogi mellem β-henfaldsprocessen og elektromagnetiske fotonemissionsprocesser . Fermis teori er baseret på samspillet mellem de såkaldte hadron- og leptonstrømme. I dette tilfælde, i modsætning til elektromagnetisme, antages det, at deres interaktion er af kontaktkarakter og ikke indebærer tilstedeværelsen af en bærer, der ligner en foton. I moderne notation beskrives interaktionen mellem de fire vigtigste fermioner (proton, neutron, elektron og neutrino) af en operatør af formen [1]

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

hvor er den såkaldte Fermi-konstant , numerisk lig i størrelsesordenen 10 −62 J⋅m³ eller ( er protonmassen) i enhedssystemet, hvor ; — protonfødselsoperatøren (eller antiprotonudslettelse ), — neutronudslettelsesoperatøren ( antineutronfødsel ), — elektronfødselsoperatøren ( positronudslettelse ), — neutrinoannihilationsoperatøren (antineutrinofødsel). $G_{F}$ $10^{-5}/m_{p}^{2}$ $m_{p}$ $\hbar=c=1$ $\hat{\overline{p}}$ $\hat{n}$ $\hat{\overline{e}}$ $\hat{\nu}$

Produktet, der er ansvarligt for omdannelsen af en neutron til en proton, kaldes nukleonstrømmen, og produktet, der omdanner en elektron til en neutrino, kaldes en leptonstrøm. Det postuleres, at disse strømme, i lighed med elektromagnetiske strømme, er 4-vektorer og ( er Dirac-matricer ). Derfor kaldes deres interaktion vektor [1] . $\hat{\overline{p}}\hat{n}$ ${\hat {\overline {e))}{\hat {\nu )),$ $\hat{\overline{p}}\gamma_{\mu}\hat{n}$ $\hat{\overline{e}}\gamma_{\mu}\hat{\nu}$ $\gamma_{\mu},~\mu=0\dots3$

Den væsentlige forskel mellem de svage strømme indført af Fermi og de elektromagnetiske er, at de ændrer partiklernes ladning: en positivt ladet proton bliver en neutral neutron, og en negativt ladet elektron bliver en neutral neutrino. I den forbindelse kaldes disse strømme ladede strømme [1] .

Universal VA-teori

Den universelle teori om den svage interaktion, også kaldet V-A- teorien, blev foreslået i 1957 af M. Gell-Mann , R. Feynman , R. Marshak og J. Sudarshan . Denne teori tog højde for det nyligt beviste faktum om paritetskrænkelse ( P -symmetri) i tilfælde af svag interaktion. Til dette blev svage strømme repræsenteret som summen af vektorstrømmen V og den aksiale strøm A (deraf navnet på teorien) [1] .

Vektor- og aksialstrømme opfører sig nøjagtigt ens under Lorentz-transformationer . Men under rumlig inversion er deres adfærd anderledes: vektorstrømmen forbliver uændret under en sådan transformation, mens den aksiale strøm ændrer fortegn, hvilket fører til paritetskrænkelse. Derudover adskiller strømmene V og A sig i den såkaldte ladningsparitet (de bryder C - symmetri) [1] .

Under hensyntagen til tre generationer af elementarpartikler er leptonstrømmen, der optrådte i Fermi-teorien, repræsenteret af summen af følgende form

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

hvor μ og τ betyder henholdsvis myon og tau-lepton , og , og - elektron, myon og tau neutrino [1] . $\nu_{e}$ $\nu _{\mu }$ $\nu_{\tau}$

På samme måde er den hadroniske strøm summen af alle generationer af kvarkstrømme ( u er oppe, d er nede, c er charmeret, s er mærkelig, t er sand, b er charmekvark):

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

I modsætning til leptonstrømmen er her imidlertid operatorerne og en lineær kombination af operatorer , og det vil sige, at hadronstrømmen indeholder i alt ikke tre, men ni led. Disse udtryk kan kombineres til en enkelt 3×3 matrix kaldet Cabibbo-Kobayashi-Maskawa matrixen . Denne matrix kan parametreres med tre vinkler og en fasefaktor. Sidstnævnte karakteriserer graden af krænkelse af CP -invarians i den svage interaktion [1] . ${\hat {d^{\prime ))},$ $\hat{s^\prime}$ $\hat{b^\prime}$ ${\hat {d}),$ $\hat{s}$ ${\hat {b}),$

Alle led i den ladede strøm er summen af vektoren og aksialoperatorerne med multiplikatorer lig med en [1] .

V − A -teorien er baseret på formens Lagrangian

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

hvor er den ladede nuværende operator, og er dens konjugat (opnået ved substitution osv.) [1] $\hat{j_w}$ $\hat{j_w^\dolk}$ ${\hat {\overline {e))}{\hat {\nu _{e))}\højrepil {\hat {\overline {\nu _{e)))){\hat {e)),$ $\hat{\overline{u}}\hat{d} \rightarrow \hat{\overline{d}}\hat{u}$

Weinberg-Salam-teorien

I sin moderne form beskrives den svage interaktion som en del af en enkelt elektrosvag interaktion inden for rammerne af Weinberg-Salam-teorien . Det er en kvantefeltteori med målegruppe SU (2) × U (1) og spontant brudt vakuumtilstandssymmetri forårsaget af virkningen af Higgs-bosonfeltet . Martinus Veltman og Gerard 't Hoofts [9] bevis på renormaliserbarheden af en sådan model blev tildelt Nobelprisen i fysik i 1999 .

I denne form indgår teorien om den svage interaktion i den moderne Standard Model , og det er den eneste interaktion, der bryder symmetrierne P og CP .

Ifølge teorien om den elektrosvage vekselvirkning er den svage vekselvirkning ikke en kontakt, men har sine egne bærere - vektorbosoner W + , W - og Z 0 med ikke-nul masse og spin lig med 1. Massen af disse bosoner er omkring 90 GeV / s², hvilket forårsager en lille radius af aktionssvage kræfter.

I dette tilfælde er ladede bosoner W ± ansvarlige for vekselvirkningen af ladede strømme, og eksistensen af en neutral boson Z 0 betyder også eksistensen af neutrale strømme . Sådanne strømme er faktisk blevet opdaget eksperimentelt. Et eksempel på interaktion med deres deltagelse er især den elastiske spredning af en neutrino af en proton. I sådanne interaktioner bevares både typen af partikler og deres ladninger [1] .

For at beskrive vekselvirkningen af neutrale strømme, skal Lagrangian suppleres med et led af formen

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

hvor ρ er en dimensionsløs parameter, lig med enhed i standardteorien (eksperimentelt adskiller den sig fra enhed med ikke mere end 1%), er en selvadjoint neutral strømoperator [1] . $\hat{f_0} = \hat{\overline{\nu_e}}\hat{\nu_e} + \dots + \hat{\overline{e}}\hat{e} + \dots + \hat{\overline{ u}}\hat{u} + \dots$

I modsætning til ladede strømme er den neutrale strømoperatør diagonal, det vil sige, den oversætter partikler til sig selv og ikke til andre leptoner eller kvarker. Hver af vilkårene for den neutrale strømoperator er summen af en vektoroperator med en multiplikator og en aksialoperator med en multiplikator , hvor er den tredje projektion af det såkaldte svage isotopiske spin , Q er partikelladningen, er Weinberg vinkel . Vinklen bestemmer strukturen af neutrale strømme og forholdet mellem konstanterne g og e for henholdsvis de svage og elektromagnetiske vekselvirkninger [1] : $I_3$ $I_3 - 2Q\sin^2\theta_w$ $I_3$ $\theta_w$ $\theta_w$

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

Rolle i naturen

Svagt henfald

Svag interaktion kan også føre til henfald af massive partikler til lettere. Denne form for henfald kaldes svagt henfald. Især er det netop på grund af dette henfald, at koncentrationerne af partikler såsom myoner , π-mesoner , mærkelige og charmerede partikler , er ubetydelige i naturen. Faktum er, at i modsætning til andre typer fundamentale interaktioner, adlyder den svage interaktion ikke nogle forbud, hvilket tillader ladede leptoner at blive til neutrinoer, og kvarker af en smag til kvarker af en anden smag [1] .

Beta-forfald

Et vigtigt specialtilfælde af svagt henfald er neutronbeta-henfald , hvor en neutron spontant kan omdannes til en proton , en elektron og en elektron - antineutrino . Men som bekendt falder intensiteten af svage henfald med aftagende energi, så den karakteristiske halveringstid for en neutron er ret stor - omkring 10 10 −10 s [1] .

Beta-henfald er den vigtigste proces på grund af den svage kraft. Beta-henfald er en af de tre hovedtyper af radioaktivitet , der består i emission af en elektron og en antineutrino fra kernen med samtidig omdannelse af en af neutronerne til en proton. Opdaget i begyndelsen af det 20. århundrede fik denne proces først en teoretisk forklaring i 1934. Enrico Fermi var den første til at foreslå, at elektronen og antineutrinoen udsendt under beta-henfald fra kernen ikke er i den før det, men er født i henfaldsøjeblikket [1] .

Stjerner

Trods den korte rækkevidde og relative lillehed er den svage vekselvirkning vigtig for en række naturlige processer.

Det er især den svage vekselvirkning, der bestemmer forekomsten af en termonuklear reaktion , som er den vigtigste energikilde for de fleste stjerner , inklusive Solen , en helium-4- fusionsreaktion fra fire protoner med emission af to positroner og to neutrinoer .

Den første, langsomste fase af termonuklear fusion afhænger meget af størrelsen af den svage interaktion [10] . $H^{1}+H^{1}\højrepil H^{2}+e^{+}+\nu$

En vigtig rolle i stjernernes udvikling spilles også af andre processer ledsaget af emission af neutrinoer og på grund af tilstedeværelsen af en svag interaktion. Neutrino-afkøling er en vigtig faktor i energitab i meget varme stjerner, samt ved supernovaeksplosioner [1] .

Noter

↑ 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 encyklopædi : [i 5 bind] / Kap. udg. A. M. Prokhorov . - M . : Great Russian Encyclopedia , 1994. - V. 4: Poynting - Robertson - Streamers. — S. 552–556. - 704 s. - 40.000 eksemplarer. - ISBN 5-85270-087-8 .
↑ Biografi om atomet, 1984 , s. 21.
↑ Biografi om atomet, 1984 , s. 28-31.
↑ M. Malley. Historien om opdagelsen af betastråling // UFN . - 1973. - T. 109 . - S. 389-398 . Arkiveret fra originalen den 13. september 2013.
↑ G. T. Zatsepin, A. Yu. Smirnov. Neutrino // Physical Encyclopedia : [i 5 bind] / Kap. udg. A. M. Prokhorov . - M . : Soviet Encyclopedia (bd. 1-2); Great Russian Encyclopedia (bd. 3-5), 1988-1999. — ISBN 5-85270-034-7 .
↑ 1 2 3 B. M. Pontecorvo . Sider om udviklingen af neutrinofysik // UFN . - 1983. - T. 141 . - S. 675-709 . Arkiveret fra originalen den 13. september 2013.
↑ S. S. Gershtein. Muoner // Fysisk encyklopædi : [i 5 bind] / Kap. udg. A. M. Prokhorov . - M . : Soviet Encyclopedia (bd. 1-2); Great Russian Encyclopedia (bd. 3-5), 1988-1999. — ISBN 5-85270-034-7 .
↑ Fundamentale partikler og interaktioner . Hentet 13. juli 2014. Arkiveret fra originalen 09. maj 2017. (ubestemt)
↑ G. 't Hooft, M. Veltman. Regularisering og renormalisering af målefelter (engelsk) // Nuclear Physics B. - 1972. - Vol. 44. - S. 189-219. - doi : 10.1016/0550-3213(72)90279-9 . — . Arkiveret fra originalen den 7. juli 2012.
↑ Perkins D. Introduktion til højenergifysik. - M., Mir, 1975. - S. 152

Litteratur

K. Manolov, V. Tyutyunnik. Biografi af atomet. — M .: Mir, 1984. — 246 s. — 50.000 eksemplarer.
Griffiths, David J. (1987) Introduktion til elementære partikler, Wiley, John & Sons, Inc. ISBN 0-471-60386-4
A. Lesov. The Weak Force: Fra Fermi til Feynman. - Afhandling, University of South Carolina, 2009.
Li Ts ., Wu Ts . Svage interaktioner. - M. , Mir, 1968. - 307 s.

Grundlæggende interaktioner
Stærk interaktion Svag interaktion Elektromagnetisk interaktion Gravitationsinteraktion