Слабое взаимодействие. Силы в природе. Развитие средств связи

Слабое взаимодействие

Это взаимодействие является наиболее слабым из фундаментальных взаимодействий, экспериментально наблюдаемых в распадах элементарных частиц, где принципиально существенными являются квантовые эффекты. Напомним, что квантовые проявления гравитационного взаимодействия никогда не наблюдались. Слабое взаимодействие выделяется с помощью следующего правила: если в процессе взаимодействия участвует элементарная частица, называемая нейтрино (или антинейтрино), то данное взаимодействие является слабым.

Слабое взаимодействие гораздо интенсивнее гравитационного.

Слабое взаимодействие в отличие от гравитационного является короткодействующим. Это означает, что слабое взаимодействие между частицами начинает действовать, только если частицы находятся достаточно близко друг к другу. Если же расстояние между частицами превосходит некоторую величину, называемую характерным радиусом взаимодействия, слабое взаимодействие не проявляет себя. Экспериментально установлено, что характерный радиус слабого взаимодействия порядка 10-15 см, то есть слабое взаимодействие, сосредоточен на расстояниях меньше размеров атомного ядра.

Почему можно говорить о слабом взаимодействии как о независимом виде фундаментальных взаимодействий? Ответ прост. Установлено, что есть процессы превращений элементарных частиц, которые не сводятся к гравитационным, электромагнитным и сильным взаимодействиям. Хороший пример, показывающий, что существуют три качественно различных взаимодействия в ядерных явлениях, связан с радиоактивностью. Эксперименты указывают на наличие трех различных видов радиоактивности: a-, b и g-радиоактивных распадов. При этом a-распад обусловлен сильным взаимодействием, g-распад - электромагнитным. Оставшийся b-распад не может быть объяснен электромагнитным и сильным взаимодействиями, и мы вынуждены принять, что есть еще одно фундаментальное взаимодействие, названное слабым. В общем случае необходимость введения слабого взаимодействия обусловлена тем, что в природе происходят процессы, в которых электромагнитные и сильные распады запрещены законами сохранения.

Хотя слабое взаимодействие существенно сосредоточено внутри ядра, оно имеет определенные макроскопические проявления. Как мы уже отмечали, оно связано с процессом b-радиоактивности. Кроме того, слабое взаимодействие играет важную роль в так называемых термоядерных реакциях, ответственных за механизм энерговыделения в звездах.

Удивительнейшим свойством слабого взаимодействия является существование процессов, в которых проявляется зеркальная асимметрия. На первый взгляд кажется очевидным, что разница между понятиями левое и правое условна. Действительно, процессы гравитационного, электромагнитного и сильного взаимодействия инвариантны относительно пространственной инверсии, осуществляющей зеркальное отражение. Говорят, что в таких процессах сохраняется пространственная четность P. Однако экспериментально установлено, что слабые процессы могут протекать с несохранением пространственной четности и, следовательно, как бы чувствуют разницу между левым и правым. В настоящее время имеются твердые экспериментальные доказательства, что несохранение четности в слабых взаимодействиях носит универсальный характер, оно проявляет себя не только в распадах элементарных частиц, но и в ядерных и даже атомных явлениях. Следует признать, что зеркальная асимметрия представляет собой свойство Природы на самом фундаментальном уровне.

В электромагнитном взаимодействии участвуют все заряженные тела, все заряженные элементарные частицы. В этом смысле оно достаточно универсально. Классической теорией электромагнитного взаимодействия является максвелловская электродинамика. В качестве константы связи принимается заряд электрона e.

Если рассмотреть два покоящихся точечных заряда q1 и q2, то их электромагнитное взаимодействие сведется к известной электростатической силе. Это означает, что взаимодействие является дальнодействующим и медленно спадает с ростом расстояния между зарядами. Заряженная частица испускает фотон, в силу чего состояние ее движения изменяется. Другая частица поглощает этот фотон и также изменяет состояние своего движения. В результате частицы как бы чувствуют наличие друг друга. Хорошо известно, что электрический заряд является размерной величиной. Удобно ввести безразмерную константу связи электромагнитного взаимодействия. Для этого надо использовать фундаментальные постоянные и c. В результате приходим к следующей безразмерной константе связи, называемой в атомной физике постоянной тонкой структуры

Легко заметить, что данная константа значительно превышает константы гравитационного и слабого взаимодействий.

С современной точки зрения электромагнитное и слабое взаимодействия представляют собой различные стороны единого электрослабого взаимодействия. Создана объединенная теория электрослабого взаимодействия - теория Вайнберга-Салама-Глэшоу, объясняющая с единых позиций все аспекты электромагнитных и слабых взаимодействий. Можно ли понять на качественном уровне, как происходит разделение объединенного взаимодействия на отдельные, как бы независимые взаимодействия?

Пока характерные энергии достаточно малы, электромагнитное и слабое взаимодействия отделены и не влияют друг на друга. С ростом энергии начинается их взаимовлияние, и при достаточно больших энергиях эти взаимодействия сливаются в единое электрослабое взаимодействие. Характерная энергия объединения оценивается по порядку величины как 102 ГэВ (ГэВ - это сокращенное от гигаэлектрон-вольт, 1 ГэВ = 109 эВ, 1 эВ = 1.6·10-12 эрг = 1.6·1019 Дж). Для сравнения отметим, что характерная энергия электрона в основном состоянии атома водорода порядка 10-8 ГэВ, характерная энергия связи атомного ядра порядка 10-2 ГэВ, характерная энергия связи твердого тела порядка 10-10 ГэВ. Таким образом, характерная энергия объединения электромагнитных и слабых взаимодействий огромна по сравнению с характерными энергиями в атомной и ядерной физике. По этой причине электромагнитное и слабое взаимодействия не проявляют в обычных физических явлениях своей единой сущности.

Сильное взаимодействие

Сильное взаимодействие ответственно за устойчивость атомных ядер. Поскольку атомные ядра большинства химических элементов стабильны, то ясно, что взаимодействие, которое удерживает их от распада, должно быть достаточно сильным. Хорошо известно, что ядра состоят из протонов и нейтронов. Чтобы положительно заряженные протоны не разлетелись в разные стороны, необходимо наличие сил притяжения между ними, превосходящих силы электростатического отталкивания. Именно сильное взаимодействие является ответственным за эти силы притяжения.

Характерной чертой сильного взаимодействия является его зарядовая независимость. Ядерные силы притяжения между протонами, между нейтронами и между протоном и нейтроном по существу одинаковы. Отсюда следует, что с точки зрения сильных взаимодействий протон и нейтрон неотличимы и для них используется единый термин нуклон, то есть частица ядра.

Итак, мы сделали обзор основных сведений, касающихся четырех фундаментальных взаимодействий Природы. Кратко описаны микроскопические и макроскопические проявления этих взаимодействий, картина физических явлений, в которых они играют важную роль.

Слабое взаимодействие

Сильное взаимодействие

Сильное взаимодействие – короткодействующее. Его радиус действия порядка 10-13 см.

Частицы, участвующие в сильном взаимодействии, называются адронами. В обычном стабильном веществе при не чересчур высокой температуре сильное взаимодействие не вызывает никаких процессов. Его роль сводится к созданию прочной связи между нуклонами (протонами и нейтронами) в ядрах. Энергия связи в среднем составляет около 8 Мэв на нуклон. При этом при столкновениях ядер или нуклонов, обладающих достаточно высокой энергией (порядка сотни Мэв), сильное взаимодействие приводит к многочисленным ядерным реакциям: расщеплению ядер, превращению одних ядер в другие и т.п.

Начиная с энергий сталкивающихся нуклонов порядка нескольких сотен Мэв, сильное взаимодействие приводит к рождению П-мезонов. При еще больших энергиях рождаются К-мезоны и гипероны, и множество мезонных и барионных резонансов (резонансы - это короткоживущие возбужденные состояния адронов).

Вместе с тем выяснилось, что сильное взаимодействие испытывают не всœе частицы. Так, его испытывают протоны и нейтроны, но электроны, нейтрино и фотоны не подвластны ему. В сильном взаимодействии участвуют обычно только тяжелые частицы.

Теоретическое объяснение природы сильного взаимодействия развивалось трудно. Прорыв наметился только в начале 1960-х гᴦ., когда была предложена кварковая модель. В этой теории нейтроны и протоны рассматриваются не как элементарные частицы, а как составные системы, построенные из кварков

Квантами сильного взаимодействия являются восœемь глюонов. Свое название глюоны получи­ли от английского слова glue (клей), ибо именно они ответ­ственны за конфайнмент кварков. Массы покоя глюонов равны нулю. При этом глюоны обладают цветным зарядом, благодаря чему они способны к взаимодействию друг с дру­гом, как говорят, к самодействию, что приводит к трудно­стям описания сильного взаимодействия математически вви­ду его нелинœейности.

Его радиус действия меньше 10-15 см. Слабое взаимодействие на несколько порядков слабее не только сильного, но и электромагнитного. При этом оно гораздо сильнее гравитационного в микромире.

Первым обнаруженным и наиболее распространенным процессом, вызываемым слабым взаимодействием, является радиоактивный b-распад ядер.
Размещено на реф.рф
Этот тип радиоактивности был открыт в 1896 году А.А. Беккерелœем. В процессе радиоактивного электронного /b - -/ распада один из нейтронов /n / атомного ядра превращается в протон /р / с испусканием электрона /е- / и электронного антинœейтрино //:

n ® p + е-+

В процессе позитронного /b + -/ распада происходит переход:

p® n + е++

В первой теории b-распада, созданной в 1934 году Э. Ферми, для объяснения этого явления потребовалось ввести гипотезу о существовании особого типа короткодействующих сил, которые вызывают переход

n ® p + е-+

Дальнейшее исследование показало, что введенное Ферми взаимодействие имеет универсальный характер.
Размещено на реф.рф
Оно обуславливает распад всœех нестабильных частиц, массы которых и правила отбора по квантовым числам не позволяют им распадаться за счёт сильного или электромагнитного взаимодействия. Слабое взаимодействие присуще всœем частицам, кроме фотонов. Характерное время протекания процессов слабого взаимодействия при энергиях порядка 100 Мэв на 13-14 порядков больше характерного времени для сильного взаимодействия.

Квантами слабого взаимодействия являются три бо­зона - W + , W − , Z°- бозоны. Верхние индексы указывают знак электрического заряда этих квантов. Кванты слабого взаимодействия имеют значительную массу, что приводит к тому, что слабое взаимодействие проявляется на очень ко­ротких расстояниях.

Необходимо учитывать, что сегодня уже в единую теорию объединœены слабое и электромагнитное взаимодействия. Существует ряд теоретических схем, в которых делается попытка создать единую теорию всœех типов взаимодействия. При этом эти схемы еще не настолько разработаны, чтобы можно было их проверять на опыте.

26. Структурная физика. Корпускулярный подход к описанию и объяснению природы. Редукционизм

Объектами структурной физики являются элементы структуры вещества (к примеру, молекулы, атомы, элементарные частицы ) и более сложное образование из них. Это:

1) плазма - это газ, в котором значительная часть молекул или атомов ионизирована;

2) кристаллы - это твердые тела, в которых атомы или молекулы расположены упорядоченно и образуют периодически повторяющуюся внутреннюю структуру;

3) жидкости - это агрегатное состояние вещества, ĸᴏᴛᴏᴩᴏᴇ сочетает в себе черты твердого состояния (сохранение объёма, определœенная прочность на разрыв) и газообразного (изменчивость формы).

Для жидкости характерны:

а) ближний порядок в расположении частиц (молекул, атомов);

б) малое различие в кинœетической энергии теплового движения и их потенциальной энергии взаимодействия.

4) звезды, ᴛ.ᴇ. светящиеся газовые (плазменные) шары.

При выделœении структурных уравнений вещества пользуются такими критериями:

Пространственные размеры: частицы одного уровня имеют пространственные размеры одного порядка (к примеру, всœе атомы имеют размеры порядка 10 -8 см);

Время протекания процессов: на одном уровне оно примерно одного порядка;

Объекты одного уровня состоят из одних и тех же элементов (к примеру, всœе ядра состоят из протонов и нейтронов);

Законы, объясняющие процессы на одном уровне, качественно отличаются от законов, объясняющих процессы на другом уровне;

Объекты разных уровней различаются по основным свойствам (к примеру, всœе атомы электрически нейтральны, а всœе ядра положительно электрически заряжены).

По мере открытия новых уровней структуры и состояний вещества объектная область структурной физики расширяется.

Необходимо учитывать, что при решении конкретных физических задач вопросы, связанные с выяснением структуры, взаимодействия и движения, тесно переплетаются.

В корне структурной физики лежит корпускулярный подход к описанию и объяснению природы.

Впервые понятие об атоме как последней и неделимой частице тела возникло в Античной Греции в рамках натурфилософского учения школы Левкиппа-Демокрита. Согласно этому взгляду в мире существуют только атомы, которые движутся в пустоте. Непрерывность материи древние атомисты считали кажущейся. Различные комбинации атомов образуют разнообразные видимые тела. Эта гипотеза не основывалась на данных экспериментов. Она была лишь гениальной догадкой. Но она определила на многие столетия вперед всœе дальнейшее развитие естествознания.

Гипотеза об атомах как неделимых частицах вещества была возрождена в естествознании, в частности, в физике и химии для объяснения некоторых закономерностей, которые устанавливались опытным путем (к примеру, законов Бойля-Мариотта и Гей-Люссака для идеальных газов, теплового расширения тел и т.д.). Действительно, закон Бойля-Мариотта утверждает, что объём газа обратно пропорционален его давлению, но он не объясняет, почему это так. Аналогично, при нагревании тела его размеры увеличиваются. Но какова же причина такого расширения? В кинœетической теории вещества с помощью атомов и молекул объясняются эти и другие установленные опытом закономерности.

Действительно, непосредственно наблюдаемое и измеряемое уменьшение давления газа при увеличении его объёма в кинœетической теории вещества объясняется как увеличение свободного пробега составляющих его атомов и молекул. Именно вследствии этого и возрастает объём, занимаемый газом. Аналогично этому, расширение тел при нагревании в кинœетической теории вещества объясняют возрастанием средней скорости движущихся молекул.

Объяснения, при которых свойства сложных веществ или тел пытаются свести к свойствам более простых их элементов или составных частей, называют редукционизмом. Такой способ анализа позволил решить в естествознании большой класс задач.

Вплоть до конца XIX в. считалось, что атом - это мельчайшая, неделимая, бесструктурная частица вещества. При этом, открытия электрона, радиоактивности показали, что это не так. Возникает планетарная модель атома Резерфорда. Потом ее сменяет модель Н. Бора. Но по-прежнему мысль физиков устремлена на то, чтобы свести всœе многообразие сложных свойств тел и явлений природы к простым свойствам небольшого числа первичных частиц. Впоследствии эти частицы были названы элементарными . Сейчас их общее число превышает 350. По этой причине вряд ли всœе такие частицы можно назвать подлинно элементарными, не содержащими других элементов. Это убеждение усиливается в связи с гипотезой о существовании кварков. Согласно ей, известные элементарные частицы состоят из частиц с дробными электрическими зарядами. Их называют кварками.

По типу взаимодействия, в котором участвуют элементарные частицы, всœе они, кроме фотона, бывают отнесены к двум группам:

1) адроны. Стоит сказать, что для них характерно наличие сильного взаимодействия. При этом они могут участвовать также в слабом и электромагнитном взаимодействиях;

2) лептоны. Οʜᴎ участвуют только в электромагнитном и слабом взаимодействиях;

По времени жизни различают:

а) стабильные элементарные частицы. Это электрон, фотон, протон и нейтрино;

б) квазистабильные. Это частицы, которые распадаются вследствие электромагнитного и слабого взаимодействия. К примеру, к + ® m + +;

в) нестабильные. Οʜᴎ распадаются за счёт сильного взаимодействия, к примеру, нейтрон.

Электрические заряды элементарных частиц являются кратными наименьшего заряда, присущего электрону. Вместе с тем, элементарные частицы делят на пары частица – античастица, к примеру е - - е + (у них всœе характеристики одинаковы, а знаки электрического заряда противоположны). Электрически нейтральные частицы тоже имеют античастицы, к примеру, п -, - .

Итак, атомистическая концепция опирается на представление о дискретном строении материи. Атомистический подход объясняет свойства физического объекта͵ исходя из свойств составляющих его мельчайших частиц, которые на определœенном этапе познания считаются неделимыми. Исторически, такими частицами сначала признавались атомы, затем элементарные частицы, а сейчас - кварки. Трудность такого подхода - это полная редукция сложного к простому, при которой не учитываются качественные различия между ними.

Вплоть до конца первой четверти ХХ века идея единства строения макро- и микрокосмоса понималась механистически, как полное тождество законов и как полное сходство строения того и другого.

Микрочастицы трактовались как миниатюрные копии макротел, ᴛ.ᴇ. как чрезвычайно малые шарики (корпускулы), двигающиеся по точным орбитам, которые совершенно аналогичны планетным орбитам, с той лишь разницей, что небесные тела связываются силами гравитационного взаимодействия, а микрочастицы - силами электрического взаимодействия.

После открытия электрона (Томсон, 1897 ᴦ.), создания теории квантов (Планк, 1900 ᴦ.), введения понятия фотон (Эйнштейн, 1905 ᴦ.), атомное учение приобрело новый характер.
Размещено на реф.рф
Идея дискретности была распространена на область электрических и световых явлений, на понятие энергии (в XIX веке учение об энергии служило сферой представления о непрерывных величинах и функциях состояния). Важнейшую черту современного атомного учения составляет атомизм действия. Он связан с тем, что движение, свойства и состояния различных микробъектов поддаются квантованию, ᴛ.ᴇ. бывают выражены в форме дискретных величин и отношений. Новая атомистика признает относительную устойчивость каждого дискретного вида материи, его качественную определœенность, его относительную неделимость и непревращаемость в известных границах явлений природы. К примеру, будучи делимым некоторыми физическими способами, атом неделим химически, ᴛ.ᴇ. в химических процессах он ведет себя как нечто целое, неделимое. Молекула, будучи делима химически на атомы, в тепловом движении (до известных пределов) ведет себя как целое, неделимое и т.д.

Особенно важно в концепции новой атомистики признание взаимопревращаемости любых дискретных видов материи.

Разные уровни структурной организации физической реальности (кварки, микрочастицы, ядра, атомы, молекулы, макротела, мегасистемы) имеют свои специфические физические законы. Но как бы ни отличались изучаемые явления от явлений, изучаемых классической физикой, всœе опытные данные должны описываться с помощью классических понятий. Существует принципиальное различие между описанием поведения изучаемого микрообъекта и описанием действия измерительных приборов. Это результат того, что действие измерительных приборов в принципе должно описываться языком классической физики, а изучаемый объект может и не описываться этим языком.

Корпускулярный подход в объяснении физических явлений и процессов всœегда сочетался с континуальным подходом с момента возникновения физики взаимодействия. Он выражался в понятии поля и раскрытии его роли в физическом взаимодействии. Представление поля как потока определœенного рода частиц (квантовая теория поля) и приписывание любому физическому объекту волновых свойств (гипотеза Луи де Бройля) соединила вместе эти два подхода к анализу физических явлений.

Слабое взаимодействие - понятие и виды. Классификация и особенности категории "Слабое взаимодействие" 2017, 2018.

СЛАБОЕ ВЗАИМОДЕЙСТВИЕ - одно из четырёх известных фундам. взаимодействий между . С. в. значительно слабее сильного и эл--магн. взаимодействий, но гораздо сильнее гравитационного. В 80-х гг. установлено, что слабое и эл--магн. взаимодействия - разл. проявления единого электрослабого взаимодействия .

Об интенсивности взаимодействий можно судить по скорости процессов, к-рые оно вызывает. Обычно сравнивают между собой скорости процессов при энергиях ГэВ, характерных для физики элементарных частиц. При таких энергиях процесс, обусловленный сильным взаимодействием, происходит за время с, эл--магн. процесс за времяс, характерное же время процессов, происходящих за счёт С. в. (слабых процессов), гораздо больше:с, так что в мире элементарных частиц слабые процессы протекают чрезвычайно медленно.

Другая характеристика взаимодействия - частицы в веществе. Сильно взаимодействующие частицы (адроны) можно задержать железной плитой толщиной в неск. десятков см, тогда как нейтрино, обладающее лишь С. в., проходило бы, не испытав ни одного столкновения, через железную плиту толщиной порядка миллиарда км. Ещё более слабым является гравитац. взаимодействие, сила к-рого при энергии ~1 ГэВ в 10 33 раз меньше, чем у С. в. Однако обычно роль гравитац. взаимодействия гораздо заметнее роли С. в. Это связано с тем, что гравитац. взаимодействие, как и электромагнитное, имеет бесконечно большой радиус действия; поэтому, напр., на тела, находящиеся на поверхности Земли, действует гравитац. притяжение всех атомов, из к-рых состоит Земля. Слабое же взаимодействие обладает очень малым радиусом действия: ок. 2*10 -16 см (что на три порядка меньше радиуса сильного взаимодействия). Вследствие этого, напр., С. в. между ядрами двух соседних атомов, находящихся на расстоянии 10 -8 см, ничтожно мало, несравненно слабее не только электромагнитного, но и гравитац. взаимодействий между ними.

Однако, несмотря на малую величину и короткодействие, С. в. играет очень важную роль в природе. Так, если бы удалось «выключить» С. в., то погасло бы Солнце, поскольку был бы невозможен процесс превращения протона в нейтрон, позитрон и нейтрино, в результате к-рого четыре протона превращаются в 4 Не, два позитрона и два нейтрино. Этот процесс служит осн. источником энергии Солнца и большинства звёзд (см. Водородный цикл ).Процессы С. в. с испусканием нейтрино вообще исключительно важны в эволюции звёзд , т. к. обусловливают потери энергии очень горячими звёздами, во взрывах сверхновых звёзд с образованием пульсаров и т. д. Если бы не было С. в., были бы стабильны и широко распространены в обычном веществе мюоны,-мезоны, странные и очарованные частицы, к-рые распадаются в результате С. в. Столь большая роль С. Е. связана с тем, что оно не подчиняется ряду запретов, характерных для сильного и эл--магн. взаимодействий. В частности, С. в. превращает заряженные лептоны в нейтрино, а одного типа (аромата) в кварки др. типов.

Интенсивность слабых процессов быстро растёт с ростом энергии. Так, бета-распад нейтрона ,энерговыделение в к-ром мало (~1 МэВ), длится ок. 10 3 с, что в 10 13 раз больше, чем время жизни-гиперона, энерговыделение при распаде к-рого составляет ~100 МэВ. Сечение взаимодействия с нуклонами для нейтрино с энергией ~100 ГэВ прибл. в миллион раз больше, чем для нейтрино с энергией ~1 МэВ. По теоретич. представлениям, рост сечения продлится до энергий порядка неск. сотен ГэВ (в системе центра инерции сталкивающихся частиц). При этих энергиях и при больших передачах импульсов проявляются эффекты, связанные с существованием промежуточных векторных бозонов . На расстояниях между сталкивающимися частицами, много меньших 2*10 -16 см (комптоновской длины волны промежуточных бозонов), С. в. и эл--магн. взаимодействия имеют практически одинаковую интенсивность.

Наиб. распространённый процесс, обусловленный С. в.,- бета-распад радиоактивных атомных ядер. В 1934 Э. Ферми (Е. Fermi) построил теорию-распада, к-рая с нек-рыми существ. модификациями легла в основу последующей теории т. н. универсального локального четырёхфермионного С. в. (взаимодействия Ферми). Согласно теории Ферми, электрон и нейтрино (точнее, ), вылетающие из-радиоактивного ядра, не находились в нём до этого, а возникли в момент распада. Это явление аналогично испусканию фотонов низкой энергии (видимого света) возбуждёнными атомами или фотонов высокой энергии (-квантов) возбуждёнными ядрами. Причиной таких процессов является взаимодействие электрич. частиц с эл--магн. полем: движущаяся заряженная частица создаёт электромагнитный ток, к-рый возмущает эл--магн. поле; в результате взаимодействия частица передаёт энергию квантам этого поля - фотонам. Взаимодействие фотонов с эл--магн. током описывается выражениемА . Здесь е - элементарный электрич. заряд, являющийся константой эл--магн. взаимодействия (см. Константа взаимодействия), А - оператор фотонного поля (т. е. оператор рождения и уничтожения фотона), j эм - оператор плотности эл--магн. тока. (Часто в выражение для эл--магн. тока включают также множитель е .)В j эм дают вклад все заряж. частицы. Напр., слагаемое, отвечающее электрону, имеет вид:, где- оператор уничтожения электрона или рождения позитрона, а- оператор рождения электрона или уничтожения позитрона. [Выше для упрощения не показано, что j эм, так же как А , является четырёхмерным вектором. Более точно, вместо следует писать совокупность четырёх выражений где - Дирака матрицы, = 0, 1, 2, 3. Каждое из этих выражений умножается на соответствующую компоненту четырёхмерного вектора.]

Взаимодействие описывает не только испускание и поглощение фотонов электронами и позитронами, но и такие процессы, как рождение фотонами электрон-позитронных пар (см. Рождение пар )или аннигиляция этих пар в фотоны. Обмен фотоном между двумя заряж. частицами приводит к взаимодействию их друг с другом. В результате возникает, напр., рассеяние электрона протоном, к-рое схематически изображается Фейнмана диаграммой , представленной на рис. 1. При переходе протона в ядре с одного уровня на другой это же взаимодействие может привести к рождению электрон-позитронной пары (рис. 2).

Теория-распада Ферми по существу аналогична теории эл--магн. процессов. Ферми положил в основу теории взаимодействие двух «слабых токов» (см. Ток в квантовой теории поля), но взаимодействующих между собой не на расстоянии путём обмена частицей - квантом поля (фотоном в случае эл--магн. взаимодействия), а контактно. Это взаимодействие между четырьмя фермионными полями (четырьмя фермионами р, п, е и нейтрино v) в совр. обозначениях имеет вид: . Здесь G F - константа Ферми, или константа слаоого четырёхфермионного взаимодействия, эксперим. значение к-рой эрг*см 3 (величина имеет размерность квадрата длины, и в единицах константа, где М - масса протона),- оператор рождения протона (уничтожения антипротона),- оператор уничтожения нейтрона (рождения антинейтрона),- оператор рождения электрона (уничтожения позитрона), v - оператор уничтожения нейтрино (рождения антинейтрино). (Здесь и в дальнейшем операторы рождения и уничтожения частиц обозначены символами соответствующих частиц, набранными полужирным шрифтом.) Ток, переводящий нейтрон в протон, получил впоследствии название нуклонного, а ток - лептонного. Ферми постулировал, что, подобно эл--магн. току, слабые токи также являются четырёхмерными векторами: Поэтому взаимодействие Ферми наз. векторным.

Подобно рождению электрон-позитронной пары (рис. 2),-распад нейтрона может быть описан похожей диаграммой (рис. 3) [античастицы помечены значком «тильда»над символами соответствующих частиц]. Взаимодействие лептонного и нуклонного токов должно приводить и к др. процессам, напр. к реакции (рис. 4), к пар (рис. 5) и и т. д.

Существ. отличием слабых токов иот электромагнитного является то, что слабый ток меняет заряд частиц, в то время как эл--магн. ток не меняет: слабый ток превращает нейтрон в протон, электрон в нейтрино, а электромагнитный оставляет протон протоном, а электрон электроном. Поэтому слабые токии ev наз. заряженными токами . Согласно такой термин логии, обычный эл--магн. ток ее является нейтральным током .

Теория Ферми опиралась на результаты исследований в трёх разл. областях: 1) эксперим. исследования собственно С. в. (-распад), приведшие к гипотезе о существовании нейтрино; 2) эксперим. исследования сильного взаимодействия (), приведшие к открытию протонов и нейтронов и к пониманию того, что ядра состоят из этих частиц; 3) эксперим. и теоретич. исследования эл--магн. взаимодействия, в результате к-рых бил заложен фундамент квантовой теории поля. Дальнейшее развитие физики элементарных частиц неоднократно подтверждало плодотворную взаимозависимость исследований сильного, слабого и эл--магн. взаимодействий.

Теория универсального четырёхфермионного С. в. отличается от теории Ферми в ряде существ, пунктов. Эти отличия, установленные за последующие годы в результате изучения элементарных частиц, свелись к следующему.

Гипотеза о том, что С. в. не сохраняет чётность, была выдвинута Ли Цзундао (Lee Tsung-Dao) и Янг Чженьнином (Yang Chen Ning) в 1956 при теоретич. исследовании распадов К-мезонов ; вскоре несохранение Р - и С-чётностей было обнаружено экспериментально в-распаде ядер [ By Цзяньсун (Wu Chien-Shiung) с сотрудниками], в распаде мюона [Р. Гарвин (R. Garwin), Л. Ледерман (L. Lederman), В. Телегди (V. Telegdi), Дж. Фридман (J. Friedman) и др.] и в распадах др. частиц.

Обобщая огромный эксперим. материал, М. Гелл-Ман (М. Gell-Mann), P. Фейнман (R. Feynman), P. Маршак (R. Marshak) и Э. Сударшан (Е. Sudarshan) в 1957 предложили теорию универсального С. в.- т. н. V - А -теорию. В формулировке, основанной на кварковой структуре адронов, эта теория заключается в том, что полный слабый заряженный ток j u является суммой лептонных и кварковых токов, причём каждый из этих элементарных токов содержит одну и ту же комбинацию дираковских матриц:

Как выяснилось впоследствии, заряж. лептонный ток, представленный в теории Ферми одним членом, является суммой трёх слагаемых: причём каждый из известных заряж. лептонов (электрон, мюон и тяжёлый лептон )входит в заряж. ток со своим нейтрино .

Заряж. адронный ток, представленный в теории Ферми членом, является суммой кварковых токов. К 1992 известнопять типов кварков , из к-рых построены все известные адроны, и предполагается существование шестого кварка (t с Q = + 2 / 3). Заряженные кварковые токи, так же как и лептонные токи, обычно записывают в виде суммы трёх слагаемых:

Однако здесь являются линейными комбинациями операторов d, s, b , так что кварковый заряженный ток состоит из девяти слагаемых. Каждый из токов является суммой векторного и аксиального токов с коэффициентами, равными единице.

Коэффициенты девяти заряженных кварковых токов обычно представляют в виде матрицы 3x3, к-рая параметризуется тремя углами и фазовым множителем, характеризующим нарушение СР-инвариантности в слабых распадах. Эта матрица получила назв. матрицы Кобаяши - Маскавы (М. Kobayashi, T. Maskawa).

Лагранжиан С. в. заряженных токов имеет вид:

Еде- ток, сопряжённый и т. д.). Такое взаимодействие заряженных токов количественно описывает огромное число слабых процессов: лептонных , полулептонных ( и т. д.) и нелептонных ( ,, и т. д.). Многие из этих процессов были открыты после 1957. За этот период были открыты также два принципиально новых явления: нарушение СР-инвариантности и нейтральные токи.

Нарушение СР-инвариантности было обнаружено в 1964 в эксперименте Дж. Кристепсона (J. Christenson), Дж. Кронина (J. Cronin), В. Фитча (V. Fitch) и Р. Тёрли (R. Turley), к-рые наблюдали распад долгоживущих К°-мезонов на два-мезона. Позднее нарушение СР-инвариантности наблюдалось также в полулептонных распадах. Для выяснения природы СР-неинвариантного взаимодействия было бы крайне важным найти к--л. СР-неинвариантный процесс в распадах или взаимодействиях др. частиц. В частности, большой интерес представляют поиски дипольного момента нейтрона (наличие к-рого означало бы нарушение инвариантности относительно обращения времени , а следовательно, согласно теореме СРТ , и СР-инвариантности).

Существование нейтральных токов было предсказано единой теорией слабого и эл--магн. взаимодействий, созданной в 60-х гг. Ш. Глэшоу (Sh. Glashow), С. Вайнбергом (S. Weinberg), А. Саламом (A. Salam) и др. и позднее получившей назв. стандартной теории электрослабого взаимодействия. Согласно этой теории, С. в. не является контактным взаимодействием токов, а происходит путём обмена промежуточными векторными бозонами (W + , W - , Z 0 )- массивными частицами со спином 1. При этом-бозоны осуществляют взаимодействие заряж. токов (рис. 6), а Z 0 -бозоны - нейтральных (рис. 7). В стандартной теории три промежуточных бозона и фотон являются квантами векторных, т. н. калибровочных полей , выступающими при асимптотически больших передачах четырёхмерного импульса ( , m z , где m w , m z - массы W - и Z-бозонов в энергетич. единицах) совершенно равноправно. Нейтральные токи были обнаружены в 1973 во взаимодействии нейтрино и антинейтрино с нуклонами. Позднее были найдены процессы рассеяния мюонного нейтрино на электроне, а также эффекты несохранения чётности во взаимодействии электронов с нуклонами, обусловленные электронным нейтральным током (эти эффекты впервые наблюдались в опытах по несохранению чётности при атомных переходах, проведённых в Новосибирске Л. М. Барковым и М. С. Золоторёвым, а также в экспериментах по рассеянию электронов на протонах и дейтронах в США).

Взаимодействие нейтральных токов описывается соответствующим членом в лагранжиане С. в.:

где - безразмерный параметр. В стандартной теории (эксперим. значение р совпадает с 1 в пределах одного процента эксперим. точности и точности расчёта радиационных поправок) . Полный слабый нейтральный ток содержит вклады всех лептонов и всех кварков:

Очень важным свойством нейтральных токов является то, что они диагональны, т. е. переводят лептоны (и кварки) самих в себя, а не в др. лептоны (кварки), как в случае заряженных токов. Каждый из 12 кварковых и лептонных нейтральных токов представляет собой линейную комбинацию аксиального тока с коэф. I 3 и векторного тока с коэф. , где I 3 - третья проекция т. н. слабого изотопического спина , Q - заряд частицы, а - Вайнберга угол .

Необходимость существования четырёх векторных полей промежуточных бозонов W + , W - , Z 0 и фотона А можно пояснить след. образом. Как известно, в эл--магн. взаимодействии электрич. заряд играет двойную роль: с одной стороны, он является сохраняющейся величиной, а с другой - источником эл--магн. поля, осуществляющего взаимодействие между заряженными частицами (константа взаимодействия е) . Такая роль электрич. заряда обеспечивается калибровочной , заключающейся в том, что ур-ния теории не меняются, когда волновые ф-ции заряженных частиц умножаются на произвольный фазовый множитель , зависящий от пространственно-временной точки [локальная симметрия U(1 )], и при этом эл--магн. поле, являющееся калибровочным, подвергается преобразованию . Преобразования локальной группы U(1 )с одним типом заряда и одним калибровочным полем коммутируют друг с другом (такая группа наз. абелевой). Указанное свойство электрич. заряда послужило исходным пунктом для построения теорий и др. типов взаимодействий. В этих теориях сохраняющиеся величины (напр., изотопич. спин) являются одновременно источниками нек-рых калибровочных полей, переносящих взаимодействие между частицами. В случае неск. типов «зарядов» (напр., разл. проекций изотопич. спина), когда отд. преобразования не коммутируют друг с другом (неабелева группа преобразований), оказывается необходимым введение неск. калибровочных полей. (Мультиплеты калибровочных полей, отвечающих локальным неабелевым симметриям, наз. Янга - Миллса полями .)В частности, чтобы изотопич. спин [к-рому отвечает локальная группа SU(2)] выступал в качестве константы взаимодействия, необходимы три калибровочных поля с зарядами1 и 0. Т. к. в С. в. участвуют заряженные токи пар частиц и т. д., то полагают, что эти пары являются дублетами группы слабого изоспина, т. е. группы SU(2) . Инвариантность теории относительно локальных преобразований группы SU (2) требует, как отмечалось, существования триплета безмассовых калибровочных полей W + , W - , W 0 , источником к-рых является слабый изоспин (константа взаимодействия g) . По аналогии с сильным взаимодействием, в к-ром гиперзаряд Y частицы, входящей в изотопич. мультиплет, определяется ф-лой Q = I 3 + Y/2 (где I 3 - третья проекция изоспина, a Q - электрич. заряд), наряду со слабым изоспином вводят слабый гиперзаряд. Тогда сохранению электрич. заряда и слабого изоспина отвечает сохранение слабого гиперзаряда [группа [U (1)]. Слабый гиперзаряд является источником нейтрального калибровочного поля В 0 (константа взаимодействия g") . Две взаимно ортогональные линейные суперпозиции полей В° и W° описывают поле фотона А и поле Z-бозона:

где . Именно величина угла определяет структуру нейтральных токов. Она же определяет связь между константой g , характеризующей взаимодействие-бозонов со слабым током, и константой е , характеризующей взаимодействие фотона с электрич. током:

Для того чтобы С. в. носило короткодействующий характер, промежуточные бозоны должны быть массивными, в то время как кванты исходных калибровочных полей - - безмассовые. Согласно стандартной теории, возникновение массы у промежуточных бозонов происходит при спонтанном нарушении симметрии SU(2) X U(1 )до U(1) эм . При этом одна из суперпозиций полей В 0 и W 0 - фотон (А ) остаётся безмассовой, а- и Z-бозоны приобретают массы:

Эксперим. данные по нейтральным токам давали . Этому отвечали ожидаемые массы W -и Z-бозонов соответственно и

Для обнаружения W - и Z-бозонов созданы спец. установки, в к-рых эти бозоны рождаются при столкновениях встречных пучкови высокой энергии. Первая-установка вступила в строй в 1981 в ЦЕРНе. В 1983 появились сообщения о детектировании в ЦЕРНе первых случаев рождения промежуточных векторных бозонов. В 1989 были опубликованы данные о рождении W - и Z -бозонов на американском протон-антипротонном коллайдере - Тэватроне, в Фермиевской национальной ускорительной лаборатории (FNAL). К кон. 1980-х гг. полное число W - и Z-бозонов, наблюдавшихся на протон-антипротонных коллайдерах в ЦЕРНе и FNAL, исчислялось сотнями.

В 1989 заработали электрон-позитроиные коллайдеры LEP в ЦЕРНе и SLC в Стэнфордском линейном ускорительном центре (SLAC). Особенно успешной оказалась работа LEP, где к началу 1991 было зарегистрировано более полумиллиона случаев рождения и распада Z-бозонов. Изучение распадов Z-бозонов показало, что никаких других нейтрино, кроме известных ранее , в природе не существует. С высокой точностью была измерена масса Z-бозона: т z = 91,173 0,020 ГэВ (масса W-бозона известна с существенно худшей точностью: m w = 80,220,26 ГэВ). Изучение свойств W - и Z-бозонов подтвердило правильность основной (калибровочной) идеи стандартной теории электрослабого взаимодействия. Однако для проверки теории в полном объёме необходимо также экспериментально исследовать механизм спонтанного нарушения симметрии. В рамках стандартной теории источником спонтанного нарушения симметрии является специальное изодублетное скалярное поле , обладающее специфич. самодействием, где - безразмерная константа, а константа h имеет размерность массы. Минимум энергии взаимодействия достигается при, и, т, о., низшее энергетич. состояние - вакуум - содержит ненулевое вакуумное значение поля. Если этот механизм нарушения симметрии действительно осуществляется в природе, то должны существовать элементарные скалярные бозоны - т. н. Хиггса бозон (кванты поля Хиггса). Стандартная теория предсказывает существование как минимум одного скалярного бозона (он должен быть нейтрален). В более сложных вариантах теории имеется неск. таких частиц, причём нек-рые из них - заряженные (при этом возможно). В отличие от промежуточных бозонов массы хиггсовых бозонов теорией не предсказываются.

Калибровочная теория электрослабого взаимодействия перенормируема: это означает, в частности, что амплитуды слабых и эл--магн. процессов можно вычислять по теории возмущений, причём высшие поправки малы, как в обычной квантовой (см. Перенормируемость ).(В отличие от этого четырёх-фермионная теория С. в. неперенормируема и не является внутренне непротиворечивой теорией.)

Существуют теоретич. модели Великого объединения , в к-рых как группа электрослабого взаимодействия, так и группа SU(3 )сильного взаимодействия являются подгруппами единой группы, характеризующейся единой константой калибровочного взаимодействия. В ещё более фундам. моделях эти взаимодействия объединяются с гравитационными (т. н. суперобъединение ).

Лит.: В у Ц. С., Мошковский С. А., Бета-распад, пер. с англ., М., 1970; Вайнберг С., Единые теории взаимодействия элементарных частиц, пер. с англ., «УФН», 1976, т. 118, в. 3, с. 505; Тейлор Д ж., Калибровочные теории слабых взаимодействий, пер. с англ., М., 1978; На пути к единой теории поля. Сб. ст., переводы, М., 1980; Окунь Л. Б., Лептоны и кварки, 2 изд., М., 1990. Л. Б. Окунь .