Слабое ўзаемадзеяньне

Слабо́е ўзаемадзе́яньне, ці слабо́е я́дзернае ўзаемадзе́яньне — адно з чатырох фундамэнтальных узаемадзеньняў у прыродзе. Яно зьяўляецца адказным, у прыватнасьці, за бэта-распад ядра. Гэтае ўзаемадзеяньне называецца слабым, паколькі два іншых узаемадзеяньня, істотныя для ядзернай фізыкі (моцнае і электрамагнітнае), характарызуюцца значна большай інтэнсіўнасьцю. Аднак яно значна мацнейшае за чацьвёртае з фундамэнтальных узаемадзеяньняў, гравітацыйнага. Слабое ўзаемадзеяньне зьяўляецца кароткадзейным — яно праяўляецца на адлегласьцях, значна меншых за памеры атамнага ядра (характэрны радыюс узаемадзеяньня 10⁻¹⁸ м). Стандартная мадэль фізыкі элемэнтарных часьцінак апісвае электрамагнітнае ўзаемадзеяньне і слабое ўзаемадзеяньне як розныя кірункі адзінага электраслабога ўзаемадзеяньня, тэорыю якога распрацавалі каля 1968 году Шэлдан Глэшаў, Абдус Салам і Стывэн Ўайнбэрг. За гэтую работу яны атрымалі Нобэлеўскую прэмію па фізыцы за 1979 год. Аднак першую тэорыю слабога ўзаемадзеяньня прапанаваў Энрыка Фэрмі ў 1930 годзе. Пры распрацоўцы тэорыі ён выкарыстаў гіпотэзу Вольфганга Паўлі пра існаваньне новай на той час элемэнтарнай часьцінкі нэўтрына.

Гісторыя

У 1914 годзе Джэймз Чадўік выявіў, што пры бэта-распадзе бісмуту вылучаныя электроны маюць суцэльны спэктар, то бок гэта значыць, што могуць мець любую кінэтычную энэргію ў зададзеных межах, што супярэчыла закону захаваньня энэргіі. Акрамя таго, пры бэта-распадзе новыя ядры падпарадкоўваюцца той жа статыстыцы (Фэрмі—Дырака або Базэ-Айнштайна), што і да яго (гэта значыць сьпін ядра зьмяняецца на цэлы лік), што было дзіўна, з улікам, што сьпін электрона, які пакідае ядро, ня ёсьць цэлым лікам, а роўны палове.

Каб растлумачыць гэтыя супярэчнасьці, у 1930 годзе Вольфганг Паўлі высунуў гіпотэзу аб існаваньні іншай часьцінкі з паўцэлым сьпінам, якая таксама пакідае ядро падчас бэта-распаду, але праз сваю малую масу і нэўтральнасьць не рэгіструецца прыборамі^[1]. У 1933 годзе Энрыка Фэрмі, грунтуючыся на гіпотэзе Паўлі, стварыў тэорыю бэта-распаду, вядомую цяпер як узаемадзеяньне Фэрмі, або чатырохфэрміённае ўзаемадзеяньне. Фактычна, тэорыя Фэрмі была нізкаэнэргетычным набліжэньнем слабога ўзаемадзеяньня — у ёй два нуклёны, электрон і нэўтрына беспасярэдне ўзаемадзеюць у адным пункце^[2]. Важнай ідэяй, агучанай у гэтай працы, было меркаваньне, што часьціны, якія вылятаюць зь ядра падчас бэта-распаду, там ня ўтрымліваюцца, а ўтвараюцца падчас распаду іншых часьцінак.

У 1956 годзе Янг Чжэнь-нін і Лі Цзун-дао, фармуючы тэорыю распаду K-мэзону, выказалі здагадку, што парнасьць, гэта значыць сымэтрыя адносна люстранога адбіцьця (P-сымэтрыя), можа не захоўвацца ў слабых узаемадзеяньнях. Ужо ў 1957 годзе Ву Цзяньсюн экспэрымэнтальна пацьвердзіла гэтую гіпотэзу. За сваю тэорыю Ян і Лі атрымалі Нобэлеўскую прэмію ў галіне фізыкі ў тым жа годзе^[3]. Пазьней Леў Ландаў высунуў здагадку, што, хоць P-сымэтрыя не захоўваецца, CP-сымэтрыя, гэта значыць нязьменнасьць законаў пры люстраным адбіцьці і спалучэньні зарадаў, то бок замена ўсіх зарадаў на процілеглыя, захоўваецца^[4]. Аднак выявілася, што гэтая сымэтрыя таксама не захоўваецца, і слабае ўзаемадзеяньне таксама адказвае за гэтае парушэньне. У 1964 годзе Джэймз Кронін і Вэл Фітч даказалі гэта, вывучаючы распад нэўтральных каонаў.

У 1960-х гадах Шэлдан Лі Глэшаў, Стывэн Ўайнбэрг і Абдус Салам распрацавалі тэорыю электраслабога ўзаемадзеяньня, якая аб’яднала электрамагнітнае і слабое ўзаемадзеяньне^[5]. Гэтая тэорыя высунулася ідэю існаваньня калібравальных палёў і вэктарных базонаў гэтых палёў (W+, W- і Z0-базонаў). На момант фармуляваньня гэтай тэорыі Z-базоны яшчэ не былі адкрытыя, таму іхняе адкрыцьцё ў 1973 годзе падчас экспэрымэнтаў з бурбалкавай камэрай Гаргамэль у супрацы з CERN стала бліскучым ейным пацьверджаньнем^[6]. У 1964 годзе Пітэр Гігс прапанаваў мэханізм спантаннага парушэньня электраслабой сымэтрыі, які тлумачыць, як носьбіты слабога ўзаемадзеяньня набываюць масу. Ягоная тэорыя прадказвала існаваньне новага поля, узаемадзейнічаючы зь якім некаторыя часьцінкі набываюць масу. У 2012 годзе падчас экспэрымэнтаў на Вялікім гадронным калайдэры быў адкрыты квант гэтага ўзаемадзеяньня, вядомы як базон Гігса^[7]^[8].

Часьцінкі, здатныя да слабога ўзаемадзеяньня

У слабое ўзаемадзеяньнях бяруць удзел кваркі і лептоны, у тым ліку нэўтрына. Узаемадзеяньне адбываецца праз абмен W- і Z-базонамі.

Кваркі

Існуе 6 тыпаў кваркаў: u-кварк, d-кварк, s-кварк, c-кварк, b-кварк і t-кварк. Усе яны, а таксама іхныя антычасьцінкі, бяруць удзел у слабым узаемадзеяньні. Пры гэтым можа зьмяніцца водар часьцінак, гэта значыць іхны тып. Напрыклад, у выніку распаду нэўтрона адзін зь ягоных d-кваркаў ператвараецца ў u-кварк.

Лептоны

Усе лептоны, як то электроны, мюоны, таў-часьцінкі і ўсе тыпы нэўтрына бяруць удзел у слабым узаемадзеяньні. Нэўтрына ўнікальныя тым, што яны ўзаемадзейнічаюць зь іншымі часьцінкамі толькі праз слабое ўзаемадзеяньне і яшчэ слабейшае гравітацыйнае ўзаемадзеяньне. Падчас працэсаў, выкліканых слабым узаемадзеяньнем, лептоны аднаго тыпу могуць ператварацца ў лептоны іншага, напрыклад, мюон распадаецца на электрон, электроннае антынэўтрына і мюоннае нэўтрына.

Калібравальныя базоны

Згодна з сучаснымі ўяўленьнямі, сфармуляванымі ў стандартнай мадэлі, слабое ўзаемадзеяньне ажыцьцяўляецца калібравальнымі базонамі W і Z, якія былі адкрытыя ў паскаральніках у 1982 годзе. Іхныя масы складаюць 80,41 і 91,18 ад масы пратону.

Бэта-распад

Пры выкананьні ўмоў энэргетычнай выгады атамныя ядры могуць зазнаваць адзін з трох тыпаў распаду:

1) бэта- распад, пры якім ядро ператвараецца ў ядро наступнага элемэнту і выпрамяняе пры гэтым электрон і антынэўтрына:

_{z}^{n}A\rightarrow {^{n}_{z+1}B}+e^{-}+{\tilde {\nu }}_{e}

2) бэта+ распад, пры якім ядро ператвараецца ў ядро папярэдняга элемэнту і выпрамяняе пры гэтым пазытрон і нэўтрына:

_{z}^{n}A\rightarrow {^{n}_{z-1}B}+e^{+}+\nu _{e}

3) K-захоп, пры якім ядро захапляе электрон са сваёй унутранай электроннай абалонкі (K-абалонкі), ператвараецца ў ядро папярэдняга элемэнту і выпрамяняе нэўтрына

_{z}^{n}A+e^{-}\rightarrow {^{n}_{z-1}B}+\nu _{e}

Крыніцы

↑ Pauli’s letter of the 4th of December 1930. Centre for Particle Physics.
↑ Enrico Fermi: genius and giant of science. CERN.
↑ October 1956: Lee and Yang Crack the Mirror of Parity. American Physical Society.
↑ Новая демонстрация нарушения CP‑симметрии. Элементы.
↑ Gargamelle: the tale of a giant discovery. CERN Courier.
↑ Gargamelle. CERN.
↑ Scientists announced the discovery of the Higgs boson 10 years ago. What’s next?. University of Chicago.
↑ The Higgs boson. The ATLAS Experiment.

Вонкавыя спасылкі

Lesov, A. The Weak Force: From Fermi to Feynman. — Thesis, University of South Carolina, 2009.
Weak force. Encyclopædia Britannica.

[1] Pauli’s letter of the 4th of December 1930. Centre for Particle Physics.

[2] Enrico Fermi: genius and giant of science. CERN.

[3] October 1956: Lee and Yang Crack the Mirror of Parity. American Physical Society.

[4] Новая демонстрация нарушения CP‑симметрии. Элементы.

[5] Gargamelle: the tale of a giant discovery. CERN Courier.

[6] Gargamelle. CERN.

[7] Scientists announced the discovery of the Higgs boson 10 years ago. What’s next?. University of Chicago.

[8] The Higgs boson. The ATLAS Experiment.

[1]

[2]

[3]

[4]

[5]

[6]

[7]

[8]