Heikko vuorovaikutus

Heikko vuorovaikutus on perustavanlaatuinen vuorovaikutus , joka on vastuussa erityisesti atomiytimien beeta-hajoamisprosesseista ja alkuainehiukkasten heikosta hajoamisesta sekä niiden avaruudellisen ja yhdistetyn pariteetin säilymislakien rikkomisesta . Tätä vuorovaikutusta kutsutaan heikoksi, koska kahdelle muulle vuorovaikutukselle, jotka ovat merkittäviä ydinfysiikassa ja korkean energian fysiikassa ( voimakas ja sähkömagneettinen ), on ominaista paljon suurempi intensiteetti. Se on kuitenkin paljon vahvempi kuin neljäs perusvuorovaikutus, gravitaatio .

Heikko vuorovaikutus on lyhyen kantaman - se ilmenee etäisyyksillä, jotka ovat noin 1000 kertaa pienempiä kuin protonin koko , vuorovaikutuksen ominaissäde on 2⋅10 −18 m [1] .

Alkuainehiukkasfysiikan standardimalli kuvaa sähkömagneettista vuorovaikutusta ja heikkoa vuorovaikutusta yhtenäisen sähköheikon vuorovaikutuksen eri ilmenemismuotoina , joiden teorian kehittivät vuoden 1968 tienoilla S. Glashow , A. Salam ja S. Weinberg . He saivat tästä työstä fysiikan Nobelin palkinnon 1979 .

Heikon vuorovaikutuksen kantajia ovat vektoribosonit W + , W - ja Z 0 . Tässä tapauksessa erotetaan niin kutsuttujen varautuneiden heikkojen virtojen ja neutraalien heikkojen virtojen vuorovaikutus . Varautuneiden virtojen vuorovaikutus (varautuneiden bosonien W ± ) vuorovaikutuksessa johtaa hiukkasten varausten muutokseen ja joidenkin leptonien ja kvarkkien muuttumiseen toisiksi leptoneiksi ja kvarkeiksi. Neutraalivirtojen vuorovaikutus (jossa neutraali bosoni Z 0 ) ei muuta hiukkasten varauksia ja muuttaa leptonit ja kvarkit samoihin hiukkasiin.

Opiskeluhistoria

Vuonna 1896 työskennellessään uraanisuolojen kanssa Henri Becquerel löysi radioaktiivisuuden ilmiön [2] . Ernest Rutherford havaitsi vuosina 1898-1899, että radioaktiiviset atomit emittoivat kahden tyyppisiä hiukkasia, joita hän kutsui alfa- ja beetahiukkasiksi [3] . Vuonna 1899 Stefan Meyerin, Egon Ritter von Schweidlerin , Friedries Gisilin ja A. Becquerelin työ osoitti, että beetahiukkaset poikkeavat magneettikentän vaikutuksesta ja niillä on negatiivinen varaus. Vuonna 1900 A. Becquerel osoitti, että beetahiukkasilla on sama varaus-massasuhde kuin vähän ennen löydetyillä elektroneilla [4] .

Vuonna 1914 James Chadwick havaitsi, että vismutti -210 beetahajoamisessa emittoivilla elektroneilla voi olla mielivaltaisia ​​energioita. Tämä oli ensi silmäyksellä ristiriidassa energian säilymisen lain kanssa. Hämmentävää oli myös se tosiasia, että vaikka alkuperäinen ja viimeinen atomi tottelivat samaa kvanttitilastoa , elektroni ei ollut odotetusti Bose-hiukkanen , vaan sen spin ½ [5] . Näiden ristiriitojen ratkaisemiseksi Wolfgang Pauli hypoteesi vuonna 1930 , että neutraali hiukkanen säteilee elektronin mukana beetahajoamisen aikana. Myöhemmin osoitettiin, että tämä hiukkanen on neutriino [6] .

Paulin hypoteesia käyttäen Enrico Fermi kehitti vuonna 1933 ensimmäisen teorian beetahajoamisesta ( heikon vuorovaikutuksen neljän fermionin teoria ). Mielenkiintoista on, että hänen töitään evättiin julkaisemasta Nature -lehdessä vedoten artikkelin liialliseen abstraktisuuteen. Fermin teoria perustuu toisen kvantisointimenetelmän käyttöön , joka on samanlainen kuin se, jota oli jo sovellettu fotonien emissio- ja absorptioprosesseihin . Yksi työssä esille tulleista ajatuksista oli myös väite, että atomista lähtevät hiukkaset eivät alun perin sisältyneet siihen, vaan syntyivät vuorovaikutusprosessissa [6] .

Vuosina 1936-1937 kosmisista säteistä löydettiin myoneja , joita pidettiin alun perin Hideki Yukawan ennustamien ydinvoimien kantajina . Ydinvoimia koskeva oletus ei kuitenkaan vahvistunut: myonit eivät osallistu vahvoihin vuorovaikutuksiin ( pi-mesonit löydettiin vuonna 1947 , jotka olivat Yukawan ennustamia hiukkasia) [7] . Myöhemmin osoitettiin, että myonit ja elektronit ovat monessa suhteessa samanlaisia ​​ja erityisesti myonit voivat vangita myös atomiydin prosessissa, joka on samanlainen kuin käänteinen beeta-hajoaminen [6] .

Pitkään uskottiin, että luonnonlait ovat symmetrisiä peiliheijastuksen suhteen , eli minkä tahansa kokeen tuloksen tulisi olla sama kuin peilisymmetrisellä asetuksella suoritetun kokeen tuloksen. Tämä avaruuden inversion alainen symmetria (jota yleensä merkitään P ) liittyy pariteetin säilymislakiin . Kuitenkin vuonna 1956, kun Yang Zhenning ja Li Zongdao tarkastelivat teoreettisesti K-mesonin hajoamisprosessia, ehdottivat, että heikko voima ei ehkä tottele tätä lakia. Jo vuonna 1957 Wu Jiansongin ryhmä vahvisti tämän ennusteen β-hajoamiskokeessa, joka ansaitsi Yangille ja Lille vuoden 1957 fysiikan Nobelin palkinnon . Myöhemmin sama tosiasia vahvistettiin myonin ja muiden hiukkasten hajoamisessa [1] .

Selittääkseen uusia kokeellisia tosiasioita Muray Gell-Mann , Richard Feynman , Robert Marshak ja George Sudarshan kehittivät vuonna 1957 universaalin teorian neljän fermionin heikosta vuorovaikutuksesta, jota kutsutaan V - A - teoriaksi [1] .

Pyrkiessään säilyttämään vuorovaikutusten mahdollisimman suuren symmetrian L. D. Landau ehdotti vuonna 1957, että vaikka heikossa vuorovaikutuksessa rikotaan P -symmetriaa, yhdistetty symmetria CP on säilytettävä niissä  - yhdistelmä peiliheijastusta ja hiukkasten korvaamista antihiukkasilla. Kuitenkin vuonna 1964 James Cronin ja Val Fitch löysivät heikon CP -rikkomuksen neutraalien kaonien hajoamisessa . Heikko vuorovaikutus osoittautui myös syyksi tähän rikkomukseen; Lisäksi teoria tässä tapauksessa ennusti, että siihen mennessä tunnetun kahden kvarkki- ja leptonisukupolven lisäksi pitäisi olla vähintään yksi sukupolvi lisää. Tämä ennuste vahvistettiin ensin vuonna 1975 tau leptonin löytämisellä ja sitten vuonna 1977 b-kvarkin löydöllä . Cronin ja Fitch saivat vuoden 1980 fysiikan Nobelin palkinnon .

1960-luvulla Sheldon Lee Glashow , Steven Weinberg ja Abdus Salam loivat tuolloin hyvin kehittyneen kvanttikenttäteorian pohjalta teorian sähköheikoista vuorovaikutuksista , jossa yhdistyvätheikko ja sähkömagneettinen vuorovaikutus. He esittelivät mittarikenttiä ja näiden kenttien kvantit — vektoribosonit W + , W– ja Z 0 heikon vuorovaikutuksen kantajina. Lisäksi on ennustettu tähän asti tuntemattomien heikkojen neutraalivirtojen olemassaolo . Nämä virrat löydettiin kokeellisesti vuonna 1973 , kun tutkittiin nukleonien neutriinojen ja antineutriinojen elastista sirontaa .

Ominaisuudet

Kaikki perusfermionit ( leptonit ja kvarkit ) osallistuvat heikkoon vuorovaikutukseen. Tämä on ainoa vuorovaikutus, johon neutriinot osallistuvat [8] (lukuun ottamatta painovoimaa , jonka vaikutus yksittäisiin alkuainehiukkasiin on mitätön). Tämä selittää neutriinojen valtavan läpäisyvoiman, koska se toimii hyvin pienellä etäisyydellä hiukkasten kokoon verrattuna (tyypillinen vuorovaikutussäde on 2⋅10−18 m, mikä on noin 1000 kertaa pienempi kuin protonin koko). Heikon vuorovaikutuksen ansiosta leptonit, kvarkit ja niiden antihiukkaset voivat vaihtaa energiaa , massaa , sähkövarausta ja kvanttilukuja  eli muuttua toisikseen.

Heikko voima on saanut nimensä siitä, että sen ominaisvoimakkuus on paljon pienempi kuin sähkömagnetismilla . Alkuainehiukkasfysiikassa vuorovaikutuksen intensiteettiä kuvaa yleensä tämän vuorovaikutuksen aiheuttamien prosessien nopeus. Mitä nopeammin prosessit etenevät, sitä suurempi on vuorovaikutuksen intensiteetti. Vuorovaikutuksessa olevien hiukkasten energioilla, jotka ovat luokkaa 1 GeV , heikosta vuorovaikutuksesta johtuvien prosessien ominaisnopeus on noin 10 -10 s , mikä on noin 11 suuruusluokkaa pidempi kuin sähkömagneettisilla prosesseilla, eli alkeishiukkasfysiikassa heikko . prosessit ovat erittäin hitaita [1] .

Toinen vuorovaikutuksen intensiteetin ominaisuus on hiukkasten keskimääräinen vapaa reitti aineessa. Joten lentävän hadronin pysäyttämiseksi vahvan vuorovaikutuksen vuoksi tarvitaan useita senttejä paksu rautalevy. Ja neutrino, joka osallistuu vain heikkoihin vuorovaikutuksiin, voi lentää useiden valovuosien paksuisen rautakerroksen läpi ilman vuorovaikutusta .

Muun muassa heikon vuorovaikutuksen vaikutussäde on hyvin pieni - noin 2⋅10 -18 m (tämä on noin 1000 kertaa pienempi kuin ytimen koko). Tästä syystä huolimatta siitä, että heikko vuorovaikutus on paljon voimakkaampi kuin gravitaatio, jonka kantama on rajoittamaton, sillä on huomattavasti pienempi rooli. Esimerkiksi jopa 10 −10 m etäisyydellä sijaitsevista ytimistä heikko vuorovaikutus on heikompi paitsi sähkömagneettinen myös gravitaatio [1] .

Tässä tapauksessa heikkojen prosessien intensiteetti riippuu voimakkaasti vuorovaikutuksessa olevien hiukkasten energiasta. Mitä suurempi energia, sitä korkeampi intensiteetti. Esimerkiksi heikon vuorovaikutuksen vuoksi neutroni , jonka energian vapautuminen beeta-hajoamisen aikana on noin 0,8 MeV , hajoaa noin 10 3 sekunnissa ja Λ-hyperoni , jonka energian vapautuminen on noin sata kertaa enemmän, jo 10 :ssä. -10 s . Sama pätee energisiin neutriinoihin: 100 GeV :n energian neutriinon vuorovaikutuksen poikkileikkaus on kuusi suuruusluokkaa suurempi kuin neutriinon, jonka energia on noin 1 MeV . Kuitenkin usean sadan GeV:n luokkaa olevilla energioilla (törmäyshiukkasten massakeskusjärjestelmässä ) heikon vuorovaikutuksen intensiteetti tulee verrattavissa sähkömagneettisen vuorovaikutuksen energiaan, minkä seurauksena ne voidaan kuvata. yhtenäisellä tavalla sähköheikkona vuorovaikutuksena [1] .

Heikko vuorovaikutus on ainoa perustavanlaatuisista vuorovaikutuksista, joille pariteetin säilymislaki ei päde , mikä tarkoittaa, että lait, joita heikkoja prosesseja noudattavat, muuttuvat, kun järjestelmää peilataan. Pariteetin säilymislain rikkominen johtaa siihen, että vain vasemmat hiukkaset ( joiden spin on suunnattu liikemäärää vastapäätä ) ovat heikon vuorovaikutuksen kohteena, mutta eivät oikeat hiukkaset (joiden spin on yhdessä suunnattu liikemäärän kanssa ) ja päinvastoin. : oikeat antihiukkaset vuorovaikuttavat heikosti, mutta vasemmat ovat inerttejä [1] .

Avaruuspariteetin lisäksi heikko vuorovaikutus ei myöskään säilytä yhdistettyä tila-varauspariteettia, eli tämä on ainoa tunnettu vuorovaikutus, joka rikkoo CP - invarianssiperiaatetta [1] .

Teoreettinen kuvaus

Fermi-teoria

Ensimmäisen teorian heikosta voimasta kehitti Enrico Fermi 1930-luvulla. Hänen teoriansa perustuu muodolliseen analogiaan β-hajoamisprosessin ja sähkömagneettisten fotonipäästöprosessien välillä . Fermin teoria perustuu ns. hadronin ja leptonin virtausten vuorovaikutukseen. Tässä tapauksessa, toisin kuin sähkömagnetismissa, oletetaan, että niiden vuorovaikutus on kontaktiluonteista, eikä se tarkoita fotonin kaltaisen kantoaineen läsnäoloa. Nykyaikaisessa merkinnässä neljän pääfermionin (protoni, neutroni, elektroni ja neutriino) välistä vuorovaikutusta kuvaa muodon [1] operaattori .

missä  on ns. Fermi-vakio , joka on numeerisesti yhtä suuri kuin 10 −62 J⋅m³ tai (  on protonin massa) yksikköjärjestelmässä, jossa ;  — protonien synnytysoperaattori (tai antiprotoniannihilaatio ),  — neutronien tuhoamisoperaattori ( antineutronisyntyminen ),  — elektronien synnyttäjän operaattori ( positroniannihilaatio ),  — neutronien tuhoamisoperaattori (antineutrinonihilaatio).

Tuotetta , joka vastaa neutronin muuntamisesta protoniksi, kutsutaan nukleonivirraksi, ja tuotetta, joka muuttaa elektronin neutriinoksi, kutsutaan leptonivirraksi. Oletetaan, että nämä virrat, samoin kuin sähkömagneettiset virrat, ovat 4-vektoria ja (  ovat Dirac-matriiseja ). Siksi niiden vuorovaikutusta kutsutaan vektoriksi [1] .

Olennainen ero Fermin tuottamien heikkojen virtojen ja sähkömagneettisten virtojen välillä on, että ne muuttavat hiukkasten varausta: positiivisesti varautuneesta protonista tulee neutraali neutroni ja negatiivisesti varautuneesta elektronista neutraali neutriino. Tässä suhteessa näitä virtoja kutsutaan varautuneiksi virroiksi [1] .

Universaali VA-teoria

M. Gell-Mann , R. Feynman , R. Marshak ja J. Sudarshan ehdottivat vuonna 1957 heikon vuorovaikutuksen universaalia teoriaa, jota kutsutaan myös V-A -teoriaksi . Tämä teoria otti huomioon äskettäin todetun tosiasian pariteetin rikkomisesta ( P -symmetria) heikon vuorovaikutuksen tapauksessa. Tätä varten heikot virrat esitettiin vektorivirran V ja aksiaalivirran A summana (siis teorian nimi) [1] .

Vektori- ja aksiaalivirrat käyttäytyvät täsmälleen samalla tavalla Lorentzin muunnoksissa . Kuitenkin spatiaalisen inversion aikana niiden käyttäytyminen on erilaista: vektorivirta pysyy muuttumattomana tällaisen muunnoksen aikana, kun taas aksiaalinen virta muuttaa etumerkkiä, mikä johtaa pariteettirikkomukseen. Lisäksi virrat V ja A eroavat ns. varauspariteetista (ne rikkovat C - symmetrian) [1] .

Kun otetaan huomioon kolme alkuainehiukkasten sukupolvea, Fermi-teoriassa esiintynyt leptonvirta esitetään seuraavan muodon summana

jossa μ ja τ tarkoittavat vastaavasti myonia ja tau-leptonia ja , ja  — elektronia, myonia ja tau-neutrinoa [1] .

Samoin hadronivirta on kaikkien kvarkkivirtojen sukupolvien summa ( u  on ylös, d  on alas, c  on lumoutunut, s  on outoa, t  on totta, b  on charmikvarkki):

Toisin kuin leptonvirta, tässä operaattorit ja ovat kuitenkin lineaarinen operaattoreiden yhdistelmä , eli hadronivirta sisältää yhteensä ei kolmea, vaan yhdeksän termiä. Nämä termit voidaan yhdistää yhdeksi 3 × 3 -matriisiksi, jota kutsutaan Cabibbo-Kobayashi-Maskawa-matriiksi . Tämä matriisi voidaan parametroida kolmella kulmalla ja vaihekertoimella. Jälkimmäinen luonnehtii CP - invarianssin rikkomisen astetta heikon vuorovaikutuksen yhteydessä [1] .

Kaikki varatun virran termit ovat vektorien ja aksiaalioperaattoreiden summa, joiden kertoimet ovat yhtä [1] .

V − A -teoria perustuu muodon Lagrangian

missä  on varattu virtaoperaattori ja  sen konjugaatti (saatu substituutiolla jne.) [1]

Weinberg-Salam teoria

Nykymuodossaan heikkoa vuorovaikutusta kuvataan osana yhtä sähköheikkoa vuorovaikutusta Weinberg-Salam -teorian puitteissa . Se on kvanttikenttäteoria , jonka mittaryhmä SU (2) × U (1) ja Higgsin bosonikentän toiminnan aiheuttama spontaanisti katkennut tyhjiötilan symmetria . Martinus Veltmanin ja Gerard 't Hooftin [9] todiste tällaisen mallin uudelleennormalisoitavuudesta sai vuoden 1999 fysiikan Nobelin palkinnon .

Tässä muodossa heikon vuorovaikutuksen teoria sisältyy nykyaikaiseen standardimalliin , ja se on ainoa vuorovaikutus, joka rikkoo symmetriat P ja CP .

Sähköheikon vuorovaikutuksen teorian mukaan heikko vuorovaikutus ei ole kontakti, vaan sillä on omat kantajansa - vektoribosonit W + , W - ja Z 0 , joiden massa on nollasta poikkeava ja spin on 1. Näiden bosonien massa on noin 90 GeV / s², mikä aiheuttaa pienen toimintasäteen heikkoja voimia.

Tässä tapauksessa varautuneet bosonit W ± ovat vastuussa varautuneiden virtojen vuorovaikutuksesta ja neutraalin bosonin Z 0 olemassaolo tarkoittaa myös neutraalien virtojen olemassaoloa . Tällaisia ​​virtoja on todellakin löydetty kokeellisesti. Esimerkki vuorovaikutuksesta heidän osallistumisensa kanssa on erityisesti neutrinon elastinen sironta protonilla. Tällaisissa vuorovaikutuksissa sekä hiukkasten tyyppi että niiden varaukset säilyvät [1] .

Neutraalivirtojen vuorovaikutuksen kuvaamiseksi Lagrangea on täydennettävä muodon termillä

jossa ρ on dimensioton parametri, joka on yhtä suuri kuin vakioteorian  yksikkö (kokeellisesti se eroaa yksiköstä enintään 1 %),  on itseliittyvä neutraalivirtaoperaattori [1] .

Toisin kuin varautuneet virrat, neutraalivirran operaattori on diagonaalinen, eli se muuttaa hiukkaset itsekseen, ei muihin leptoneihin tai kvarkeihin. Kukin neutraalivirtaoperaattorin termeistä on kertoimella varustetun vektorioperaattorin ja kertoimella varustetun aksiaalioperaattorin summa , jossa  on niin sanotun heikon isotooppisen spinin kolmas projektio , Q  on hiukkasvaraus,  on Weinbergin kulma . Kulma määrittää neutraalien virtojen rakenteen ja heikon ja sähkömagneettisen vuorovaikutuksen vakioiden g ja e välisen suhteen [1] :

Rooli luonnossa

Heikko hajoaminen

Heikko vuorovaikutus voi myös johtaa massiivisten hiukkasten hajoamiseen kevyemmiksi. Tämän tyyppistä hajoamista kutsutaan heikoksi hajoamiseksi. Erityisesti juuri tämän hajoamisen vuoksi hiukkasten, kuten myonien , π-mesonien , outojen ja viehättävien hiukkasten pitoisuudet ovat luonnossa merkityksettömiä. Tosiasia on, että toisin kuin muun tyyppiset perustavanlaatuiset vuorovaikutukset, heikko vuorovaikutus ei noudata joitain kieltoja, mikä mahdollistaa varautuneiden leptonien muuttumisen neutriinoiksi ja yhden maun kvarkit toisen maun kvarkeiksi [1] .