Войти
Радиоактивный бета-распад происходит из-за слабого взаимодействия, которое преобразует нейтрон в протон, электрон и электронный антинейтрино.
В ядерной физике и физике элементарных частиц, слабое взаимодействие, которое также часто называют слабой силой или слабой ядерной силой, это механизм взаимодействия между субатомными частицами, который отвечает за радиоактивный распад атомы. Слабое взаимодействие участвует в делении ядер, и теория, описывающая его с точки зрения как его поведения, так и эффектов, иногда называется квантовой динамикой аромата (QFD ). Однако термин QFD используется редко, потому что слабое взаимодействие лучше понимается в терминах теории электрослабого взаимодействия (EWT).
Эффективный диапазон слабого взаимодействия ограничен субатомными расстояниями, и меньше диаметра протона. Это одно из четырех известных силовых фундаментальных взаимодействий природы, наряду с сильным взаимодействием, электромагнетизмом и гравитацией.
Стандартная модель в физике элементарных частиц обеспечивает единообразную основу для понимания электромагнитных, слабых и сильных взаимодействий. Взаимодействие происходит, когда две частицы (обычно, но не обязательно, полуцелые спин фермионы ) обмениваются целочисленными спинами, несущими силу бозонами. Фермионы, участвующие в таких обменах, могут быть элементарными (например, электроны или кварки ) или составными (например, протоны или нейтроны ), хотя на самых глубоких уровнях все слабые взаимодействия в конечном итоге происходят между элементарными частицами.
В слабом взаимодействии фермионы могут обмениваться тремя типами носителей силы, а именно W, W и Z-бозонами. массы этих бозонов намного больше, чем масса протона или нейтрона, что согласуется с коротким радиусом действия слабого взаимодействия. Фактически, эта сила называется слабой, потому что ее напряженность поля на заданном расстоянии обычно на несколько порядков меньше, чем у сильного ядерного взаимодействия или электромагнитного взаимодействия.
Кварки, из которых состоят составные частицы, такие как нейтроны и протоны, бывают шести «ароматов» - вверх, вниз, странный, очаровательный, верхний и нижний - которые придают этим составным частицам их свойства. Слабое взаимодействие уникально тем, что позволяет кваркам менять свой аромат на другой. Обмен этих свойств осуществляется бозонами-носителями силы. Например, во время бета минус распад нижний кварк внутри нейтрона превращается в верхний кварк, таким образом превращая нейтрон в протон и приводя к испусканию электрона и электронного антинейтрино.
Слабое взаимодействие - единственное фундаментальное взаимодействие, которое нарушает симметрию четности, и аналогично, единственное, которое нарушает симметрию четности .
Другие важные примеры явлений, связанных с слабые взаимодействия включают бета-распад и синтез водорода в гелий, который приводит в действие термоядерный процесс Солнца. Большинство фермионов со временем распадаются из-за слабого взаимодействия. Такой распад делает возможным радиоуглеродное датирование, поскольку углерод-14 распадается в результате слабого взаимодействия на азот-14. Он также может создавать радиолюминесценцию, обычно используемую в тритиевом освещении и в соответствующей области бетавольтаики.
в течение кварковой эпохи ранняя вселенная, электрослабая сила разделилась на электромагнитную и слабую силы.
В 1933 году Энрико Ферми предложил первую теорию слабого взаимодействия, известную как взаимодействие Ферми. Он предположил, что бета-распад можно объяснить взаимодействием четырех- фермионов, включая контактную силу без диапазона.
Однако его лучше описать как поле бесконтактной силы, имеющее конечный диапазон, хотя и очень короткий. В 1968 году Шелдон Глэшоу, Абдус Салам и Стивен Вайнберг объединили электромагнитную силу и слабое взаимодействие, показав, что они являются двумя аспектами одной силы, теперь называется электрослабой силой.
существование W- и Z-бозонов не было напрямую подтверждено до 1983 года.
Диаграмма, изображающая пути распада из-за заряженное слабое взаимодействие и некоторое указание на их вероятность. Интенсивность линий задается параметрами CKM.Электрически заряженное слабое взаимодействие уникально во многих отношениях:
. Из-за их большой массы (примерно 90 ГэВ / c) эти частицы носителя, называемые W и Z-бозоны недолговечны, их время жизни составляет менее 10 секунд. Слабое взаимодействие имеет константу связи (показатель силы взаимодействия) от 10 до 10, по сравнению с константой связи сильного взаимодействия, равной 1, и константой электромагнитной связи, равной примерно 10; следовательно, слабое взаимодействие является «слабым» с точки зрения силы. Слабое взаимодействие имеет очень малую эффективную дальность (около 10–10 м). На расстояниях около 10 метров слабое взаимодействие имеет силу, аналогичную силе электромагнитного взаимодействия, но оно начинает уменьшаться экспоненциально с увеличением расстояния. В масштабе всего на полтора порядка на расстояниях примерно 3 × 10 м слабое взаимодействие становится в 10000 раз слабее.
Слабое взаимодействие влияет на все фермионы Стандартная модель, а также бозон Хиггса ; нейтрино взаимодействуют только посредством гравитации и слабого взаимодействия. Слабое взаимодействие не создает связанных состояний и не включает в себя энергию связи - то, что гравитация делает в астрономическом масштабе, что электромагнитная сила делает на атомных уровень, и что сильное ядерное взаимодействие действует внутри ядер.
Его наиболее заметный эффект связан с его первой уникальной особенностью: заряженное слабое взаимодействие вызывает изменение аромата. Например, нейтрон тяжелее, чем протон (его партнер нуклон ), и может распадаться на протон, изменяя аромат (тип) одного из двух нижних кварков в верхний кварк. Ни сильное взаимодействие, ни электромагнетизм не допускают изменения аромата, поэтому это происходит посредством слабого распада ; без слабого распада такие свойства кварков, как странность и очарование (связанные со странными кварками и очаровательными кварками, соответственно), также будут сохраняться во всех взаимодействиях.
Все мезоны нестабильны из-за слабого распада. В процессе, известном как бета-распад, нижний кварк в нейтроне может превратиться в ап-кварк, испуская виртуальный. W. бозон, который затем преобразуется в электрон и электрон антинейтрино. Другой пример - электронный захват, распространенный вариант радиоактивного распада, в котором протон и электрон внутри атома взаимодействуют и превращаются в нейтрон (верхний кварк заменяется на нижний кварк) и испускается электронное нейтрино.
Из-за больших масс W-бозонов превращения или распады частиц (например, изменение аромата), которые зависят от слабого взаимодействия, обычно происходят намного медленнее, чем преобразования или распады, которые зависят только от сильных или электромагнитных сил.. Например, нейтральный пион электромагнитно распадается, поэтому его срок службы составляет всего около 10 секунд. Напротив, заряженный пион может распадаться только в результате слабого взаимодействия и поэтому живет примерно 10 секунд, или в сто миллионов раз дольше, чем нейтральный пион. Особенно ярким примером является распад свободного нейтрона при слабых силах, который занимает около 15 минут.
| Генерация 1 | Поколение 2 | Поколение 3 | ||||||
|---|---|---|---|---|---|---|---|---|
| Фермион | Символ | Слабый. изоспин | Фермион | Символ | Слабый. изоспин | Фермион | Символ | Слабый. изоспин |
| Электронное нейтрино | . ν. e | ++ 1/2 | Мюонное нейтрино | . ν. μ | ++ 1/2 | Тау-нейтрино | . ν. τ | ++ 1/2 |
| Электрон | . e. | - + 1/2 | Мюон | . μ. | - + 1/2 | Тау | . τ. | - + 1/2 |
| Вверх-кварк | . u. | ++ 1/2 | Чарм-кварк | . c. | ++ 1/2 | Топ-кварк | . t. | ++ 1/2 |
| Нижний кварк | . d. | - + 1 / 2 | Странный кварк | . s. | - + 1/2 | Нижний кварк | . b. | - + 1/2 |
| Все указанные выше левые (обычные) частицы имеют соответствующие. правые анти -частицы с равным и противоположным слабым изоспином. | ||||||||
| Все правые (регулярные) частицы и левые античастицы имеют слабый изоспин 0. | ||||||||
Все частицы обладают свойством, называемым слабым изоспином (символ T 3), которое служит аддитивным квантовым числом , которое ограничивает поведение частицы при слабом взаимодействии. Слабый изоспин играет ту же роль в слабом взаимодействии, что и электрический заряд в электромагнетизме и цветной заряд в сильном взаимодействии. Все левые фермионы имеют слабое значение изоспина ++ 1/2 или - + 1/2; все правые фермионы имеют нулевой изоспин. Например, верхний кварк имеет T 3 ++ 1/2, а нижний кварк - + 1/2. Кварк никогда не распадается в результате слабого взаимодействия на кварк с тем же T 3 : кварки с T 3 равным ++ 1/2 распадаются только на кварки с T 3 из - + 1/2 и наоборот.
. π. распад из-за слабого взаимодействия В любом данном взаимодействии слабый изоспин сохраняется : сумма слабых изоспиновых чисел частиц, вступающих во взаимодействие, равна сумме слабых изоспиновых чисел частицы, выходящие из этого взаимодействия. Например, (левосторонний). π. со слабым изоспином +1 обычно распадается на. ν. μ(с T 3 = ++ 1/2) и a. μ. (как правая античастица, ++ 1/2).
Для развития теории электрослабого взаимодействия было изобретено другое свойство, слабый гиперзаряд, которое определяется как:
где Y W - слабый гиперзаряд частицы с электрическим заряд Q (в единицах элементарного заряда ) и слабый изоспин T 3. Слабый гиперзаряд является генератором U (1) компоненты электрослабой калибровочной группы ; в то время как у некоторых частиц слабый изоспин равен нулю, все известные частицы со спином 1/2 имеют ненулевой слабый гиперзаряд.
Есть два типа слабого взаимодействия (называемые вершинами ). Первый тип называется «взаимодействие заряженного тока », потому что оно опосредовано частицами, несущими электрический заряд (. W. или. W. бозоны ). Он ответственен за явление бета-распада . Второй тип называется «взаимодействием нейтрального тока », потому что он опосредуется нейтральной частицей, . Z. бозоном. Он отвечает за (редкое) отклонение нейтрино. Эти два типа взаимодействия подчиняются разным правилам выбора.
Диаграмма Фейнмана для бета-минус-распада нейтрона на протон, электрон и электронное антинейтрино через промежуточный тяжелый. W. бозон В одном типе взаимодействия заряженного тока заряженный лептон (например, электрон или мюон с зарядом -1) может поглотить . W. бозон (частицу с зарядом +1) и тем самым превратиться в соответствующий нейтрино (с зарядом 0), где тип («аромат») нейтрино (электрон, мюон или тау) такой же, как и тип лептона во взаимодействии, например:
Аналогично, кварк нижнего типа (d с заряд - ⁄ 3) может быть преобразован в кварк восходящего типа (u, с зарядом + ⁄ 3), испуская бозон. W. или поглощая бозон. W.. Точнее, кварк нижнего типа становится квантовой суперпозицией кварков верхнего типа: иными словами, он имеет возможность стать любым из трех кварков верхнего типа с вероятностями, указанными в таблицы матрицы CKM. И наоборот, кварк верхнего типа может испускать бозон. W. или поглощать бозон. W. и тем самым превращаться в кварк нижнего типа, например:
W-бозон нестабилен, поэтому будет быстро распадаться с очень коротким временем жизни. Например:
Распад W-бозона на другие продукты может произойти с различной вероятностью.
В так называемом бета-распаде нейтрона (см. рисунок выше) нижний кварк внутри нейтрона испускает виртуальный. W. бозон и тем самым превращается в ап-кварк, превращая нейтрон в протон. Из-за энергии, участвующей в этом процессе (т.е. разницы масс между нижним и верхним кварком), бозон. W. может быть преобразован только в электрон и электрон-антинейтрино. На уровне кварков этот процесс можно представить как:
В взаимодействиях нейтрального тока, кварк или лептон (например, электрон или мюон ) излучает или поглощает нейтральный Z-бозон. Например:
Как и бозоны. W.,. Z. бозон также быстро распадается, например:
В отличие от взаимодействия заряженного тока, правила выбора которого строго ограничены хиральностью, электрическим зарядом и / или слабым изоспином, взаимодействие нейтрального тока. Z. может вызвать отклонение любых двух фермионов в стандартной модели: либо частицы, либо античастицы с любым электрическим зарядом, и оба слева - и правая киральность, хотя сила взаимодействия различается.
Стандартная модель физики элементарных частиц описывает электромагнитное взаимодействие и слабое взаимодействие как два разных аспекта одного электрослабого взаимодействия. Эта теория была разработана примерно в 1968 году Шелдоном Глэшоу, Абдусом Саламом и Стивеном Вайнбергом, и они были удостоены Нобелевской премии по физике 1979 года за их работу. Механизм Хиггса дает объяснение присутствию трех массивных калибровочных бозонов (. W.,. W.,. Z., трех переносчиков слабого взаимодействия) и безмассового фотона (γ, носитель электромагнитного взаимодействия).
Согласно электрослабой теории, при очень высоких энергиях Вселенная имеет четыре компонента поля Хиггса, взаимодействия которых переносятся четырьмя безмассовыми калибровочными бозонами - каждый похож на фотон - образует комплексный скалярный дублет поля Хиггса. Однако при низких энергиях эта калибровочная симметрия спонтанно нарушается вплоть до симметрии U (1) электромагнетизма, поскольку одно из полей Хиггса приобретает математическое ожидание . Ожидается, что это нарушение симметрии приведет к появлению трех безмассовых бозонов, но вместо этого они интегрируются с тремя другими полями и приобретают массу благодаря механизму Хиггса. Эти три интеграции бозонов производят бозоны. W.,. W. и. Z. слабого взаимодействия. Четвертый калибровочный бозон - это фотон электромагнетизма, он остается безмассовым.
Эта теория сделала ряд предсказаний, в том числе предсказание масс Z- и W-бозонов до их открытия и обнаружения в 1983 году.
4 июля 2012 года экспериментальные группы CMS и ATLAS на Большом адронном коллайдере независимо друг от друга объявили, что они подтвердили формальное открытие ранее неизвестного бозона с массой 125–127 ГэВ. / c, поведение которого до сих пор «соответствовало» бозону Хиггса, но при этом добавлялось осторожное замечание о том, что необходимы дополнительные данные и анализ, прежде чем положительно идентифицировать новый бозон как бозон Хиггса определенного типа. К 14 марта 2013 года было предварительно подтверждено существование бозона Хиггса.
В спекулятивном случае, когда нарушение электрослабой симметрии масштаб были понижены, непрерывная SU (2) взаимодействие в конечном итоге станет ограничивающим. Альтернативные модели, в которых SU (2) становится ограничивающим над этой шкалой, количественно похожи на Стандартную модель при более низких энергиях, но резко отличаются от вышеуказанного нарушения симметрии.
Влево и правосторонние частицы : p - импульс частицы, а S - ее спин. Обратите внимание на отсутствие отражательной симметрии между состояниями. Долгое время считалось, что законы природы остаются неизменными при зеркальном отражении. Ожидалось, что результаты эксперимента, просматриваемые через зеркало, будут идентичны результатам зеркально отраженной копии экспериментальной установки. Этот так называемый закон сохранения четности , как известно, соблюдается классической гравитацией, электромагнетизмом и сильным взаимодействием ; считалось, что это универсальный закон. Однако в середине 1950-х годов Чен-Нин Ян и Цзун-Дао Ли предположили, что слабое взаимодействие может нарушать этот закон. Чиен Шиунг Ву и его сотрудники в 1957 году обнаружили, что слабое взаимодействие нарушает четность, в результате чего Ян и Ли получили Нобелевскую премию по физике 1957 года.
Хотя слабое взаимодействие когда-то было описано теорией Ферми, открытие теории нарушения четности и перенормировки подсказало, что необходим новый подход. В 1957 году Роберт Маршак и Джордж Сударшан, а несколько позже Ричард Фейнман и Мюррей Гелл-Манн предложили V −A (вектор минус осевой вектор или левосторонний) лагранжиан для слабых взаимодействий. В этой теории слабое взаимодействие действует только на левые частицы (и правые античастицы). Поскольку зеркальное отражение левой частицы правое, это объясняет максимальное нарушение четности. Теория V − A была разработана до открытия Z-бозона, поэтому она не включала правые поля, которые входят во взаимодействие с нейтральным током.
Однако эта теория позволяла сохранять сложную симметрию CP. CP объединяет четность P (переключение слева направо) с зарядовым сопряжением C (переключение частиц на античастицы). Физики снова были удивлены, когда в 1964 году Джеймс Кронин и Вэл Фитч представили четкие доказательства в каон распадах, что CP-симметрия тоже может быть нарушена, выиграв им 1980 год Нобелевская премия по физике. В 1973 году Макото Кобаяси и Тосихидэ Маскава показали, что нарушение CP-характеристики в слабом взаимодействии требует более двух поколений частиц, эффективно предсказывая существование тогда еще неизвестного третьего поколения. Это открытие принесло им половину Нобелевской премии по физике за 2008 год.
В отличие от нарушения четности, нарушение СР происходит только в ограниченных обстоятельствах. Несмотря на его редкость, широко распространено мнение, что это причина того, что во Вселенной гораздо больше материи, чем антиматерии, и, таким образом, это одно из трех условий Андрея Сахарова для бариогенез.
Физический портал  | Викицитатник содержит цитаты, связанные с: Слабым взаимодействием |
