Los bosones vectoriales son portadores de la interacción débil. W. + , W.− y z 0 . En este caso se distingue entre la interacción de las llamadas corrientes débiles cargadas y corrientes débiles neutras. Interacción de corrientes cargadas (con la participación de bosones cargados W.± ) conduce a un cambio en las cargas de las partículas y a la transformación de algunos leptones y quarks en otros leptones y quarks. Interacción de corrientes neutras (con la participación de un bosón neutro z 0) no cambia las cargas de las partículas y convierte leptones y quarks en las mismas partículas.
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Utilizando la hipótesis de Pauli, Enrico Fermi desarrolló la primera teoría de la desintegración beta en 1933. Es interesante que se negaron a publicar su trabajo en la revista. Naturaleza, citando la excesiva abstracción del artículo. La teoría de Fermi se basa en el uso de un método de cuantificación secundario, similar al que ya se había aplicado en aquella época para los procesos de emisión y absorción de fotones. Una de las ideas expresadas en el trabajo fue también la afirmación de que las partículas que salen volando de un átomo no estaban inicialmente contenidas en él, sino que nacieron en el proceso de interacción.
Durante mucho tiempo se creyó que las leyes de la naturaleza son simétricas con respecto a la reflexión especular, es decir, el resultado de cualquier experimento debe ser el mismo que el resultado de un experimento realizado en una instalación simétrica. Esta simetría es relativa a la inversión espacial (que generalmente se denota como PAG) está asociado con la ley de conservación de la paridad. Sin embargo, en 1956, al considerar teóricamente el proceso de desintegración de los mesones K, Yang Zhenning y Li Zongdao sugirieron que la interacción débil podría no obedecer a esta ley. Ya en 1957, el grupo de Wu Jiansong confirmó esta predicción en un experimento sobre la desintegración β, que le valió a Yang y Li el Premio Nobel de Física de 1957. Posteriormente se confirmó el mismo hecho en la desintegración del muón y otras partículas.
Para explicar los nuevos hechos experimentales, en 1957, Murray Gell-Mann, Richard Feynman, Robert Marchak y George Sudarshan desarrollaron una teoría universal de la interacción débil de cuatro fermiones, llamada V − A-teorías.
En un esfuerzo por preservar la máxima simetría posible de las interacciones, L. D. Landau sugirió en 1957 que aunque PAG-la simetría se rompe en las interacciones débiles; en ellas se debe preservar la simetría combinada; CP- una combinación de reflejo especular y sustitución de partículas por antipartículas. Sin embargo, en 1964, James Cronin y Val Fitch encontraron una violación débil en las desintegraciones de los kaones neutrales. CP-paridad. La interacción débil también resultó ser la responsable de esta violación; además, la teoría en este caso predijo que además de las dos generaciones de quarks y leptones conocidas en ese momento, debería haber al menos una generación más. Esta predicción se confirmó primero en 1975 con el descubrimiento del leptón tau y luego en 1977 con el descubrimiento del quark b. Cronin y Fitch recibieron el Premio Nobel de Física en 1980.
Propiedades
Todos los fermiones fundamentales (leptones y quarks) participan en interacciones débiles. Ésta es la única interacción en la que participan los neutrinos (aparte de la gravedad, que es insignificante en condiciones de laboratorio), lo que explica el colosal poder de penetración de estas partículas. La interacción débil permite a los leptones, quarks y sus antipartículas intercambiar energía, masa, carga eléctrica y números cuánticos, es decir, convertirse entre sí.
La interacción débil recibe su nombre del hecho de que su intensidad característica es mucho menor que la del electromagnetismo. En física de partículas elementales, la intensidad de una interacción suele caracterizarse por la velocidad de los procesos provocados por esta interacción. Cuanto más rápido ocurren los procesos, mayor es la intensidad de la interacción. A energías de partículas que interactúan del orden de 1 GeV, la velocidad característica de los procesos causados por la interacción débil es de aproximadamente 10 −10 s, que es aproximadamente 11 órdenes de magnitud mayor que para los procesos electromagnéticos, es decir, los procesos débiles son procesos extremadamente lentos. .
Otra característica de la intensidad de la interacción es el camino libre de las partículas en una sustancia. Entonces, para detener un hadrón volador debido a una fuerte interacción, se necesita una placa de hierro de varios centímetros de espesor. Y un neutrino, que sólo participa en la interacción débil, puede volar a través de una placa de miles de millones de kilómetros de espesor.
Entre otras cosas, la interacción débil tiene un rango de acción muy pequeño: alrededor de 2,10 -18 m (esto es aproximadamente 1000 veces más pequeño que el tamaño del núcleo). Por esta razón, a pesar de que la interacción débil es mucho más intensa que la interacción gravitacional, cuyo radio es ilimitado, juega un papel notablemente menor. Por ejemplo, incluso para núcleos ubicados a una distancia de 10 a 10 m, la interacción débil es más débil no solo que la electromagnética, sino también la gravitacional.
En este caso, la intensidad de los procesos débiles depende en gran medida de la energía de las partículas que interactúan. Cuanto mayor es la energía, mayor es la intensidad. Por ejemplo, debido a una interacción débil, un neutrón, cuya liberación de energía durante la desintegración beta es de aproximadamente 0,8 MeV, se desintegra en un tiempo de aproximadamente 10 3 s, y un hiperón Λ con una liberación de energía de aproximadamente cien veces más. ya en 10 −10 s. Lo mismo ocurre con los neutrinos energéticos: la sección transversal para la interacción con un nucleón de un neutrino con una energía de 100 GeV es seis órdenes de magnitud mayor que la de un neutrino con una energía de aproximadamente 1 MeV. Sin embargo, a energías del orden de varios cientos de GeV (en el marco del centro de masa de las partículas en colisión), la intensidad de la interacción débil se vuelve comparable a la energía de la interacción electromagnética, por lo que se pueden describir. de manera unificada como la interacción electrodébil.
La interacción débil es la única interacción fundamental para la cual no se cumple la ley de conservación de la paridad, esto significa que las leyes que gobiernan los procesos débiles cambian cuando el sistema se refleja. La violación de la ley de conservación de la paridad conduce al hecho de que solo las partículas zurdas (cuyo giro se dirige en dirección opuesta al impulso), pero no las diestras (cuyo giro está en la misma dirección que el impulso), están sujetas a interacción débil, y viceversa: las antipartículas diestras interactúan débilmente, pero las zurdas son inertes.
Además de la paridad espacial, la interacción débil tampoco preserva la paridad combinada de carga espacial, es decir, la única interacción conocida viola el principio CP-invariancia.
Descripción teórica
teoría de fermi
La primera teoría de la interacción débil fue desarrollada por Enrico Fermi en los años 1930. Su teoría se basa en una analogía formal entre el proceso de desintegración β y los procesos electromagnéticos de emisión de fotones. La teoría de Fermi se basa en la interacción de las llamadas corrientes hadrónicas y leptónicas. Además, a diferencia del electromagnetismo, se supone que su interacción es de contacto y no implica la presencia de un portador similar a un fotón. En notación moderna, la interacción entre los cuatro fermiones principales (protón, neutrón, electrón y neutrino) se describe mediante un operador de la forma
G F 2 p ¯ ^ n ^ ⋅ e ¯ ^ ν ^ (\displaystyle (\frac (G_(F))(\sqrt (2)))(\hat (\overline (p)))(\hat (n) )\cdot (\hat (\overline (e)))(\hat (\nu ))),Dónde G F (\displaystyle G_(F))- la llamada constante de Fermi, numéricamente igual a aproximadamente 10 −48 J/m³ o 10 − 5 / m p 2 (\displaystyle 10^(-5)/m_(p)^(2)) (metro p (\displaystyle m_(p))- masa de protones) en el sistema de unidades, donde ℏ = c = 1 (\displaystyle \hbar =c=1); p ¯ ^ (\displaystyle (\hat (\overline (p))))- operador de creación de protones (o destrucción de antiprotones), norte ^ (\displaystyle (\sombrero (n)))- operador de destrucción de neutrones (nacimiento de antineutrones), mi ¯ ^ (\displaystyle (\hat (\overline (e))))- operador de creación de electrones (destrucción de positrones), ν ^ (\displaystyle (\hat (\nu )))- operador de destrucción de neutrinos (nacimiento de antineutrinos).
Trabajar p ¯ ^ n ^ (\displaystyle (\hat (\overline (p)))(\hat (n))), responsable de la transferencia de un neutrón a un protón, se llama corriente de nucleón, y mi ¯ ^ ν ^ , (\displaystyle (\hat (\overline (e)))(\hat (\nu )),) convertir un electrón en un neutrino - leptón. Se postula que estas corrientes, similares a las corrientes electromagnéticas, son de 4 vectores. p ¯ ^ γ μ n ^ (\displaystyle (\hat (\overline (p)))\gamma _(\mu )(\hat (n))) Y e ¯ ^ γ μ ν ^ (\displaystyle (\hat (\overline (e)))\gamma _(\mu )(\hat (\nu ))) (γ μ , μ = 0 … 3 (\displaystyle \gamma _(\mu ),~\mu =0\dots 3)- Matrices de Dirac). Por tanto, su interacción se llama vector.
Una diferencia significativa entre las corrientes débiles introducidas por Fermi y las electromagnéticas es que cambian la carga de las partículas: un protón cargado positivamente se convierte en un neutrón neutro y un electrón cargado negativamente se convierte en un neutrino neutro. En este sentido, estas corrientes se denominan corrientes cargadas.
Teoría universal VA
La teoría universal de la interacción débil, también llamada VA-A-teoría, fue propuesta en 1957 por M. Gell-Mann, R. Feynman, R. Marshak y J. Sudarshan. Esta teoría tuvo en cuenta el hecho recientemente comprobado de violación de la paridad ( PAG-simetría) con interacción débil. Para ello, las corrientes débiles se representaron como la suma de la corriente vectorial V y axial A(de ahí el nombre de la teoría).
Las corrientes vectoriales y axiales se comportan exactamente igual bajo las transformaciones de Lorentz. Sin embargo, durante la inversión espacial, su comportamiento es diferente: la corriente vectorial permanece sin cambios durante esta transformación, pero la corriente axial cambia de signo, lo que conduce a una violación de la paridad. Además, las corrientes V Y A difieren en la llamada paridad de cargos (violan C-simetría).
De manera similar, la corriente hadrónica es la suma de las corrientes de quarks de todas las generaciones ( tu- superior, d- más bajo, C- encantado, s- extraño, t- verdadero, b- adorables quarks):
u ¯ ^ d ′ ^ + c ¯ ^ s ′ ^ + t ¯ ^ b ′ ^ . (\displaystyle (\hat (\overline (u)))(\hat (d^(\prime )))+(\hat (\overline (c)))(\hat (s^(\prime ))) +(\hat (\overline (t)))(\hat (b^(\prime ))).)Sin embargo, a diferencia de la corriente leptónica, aquí los operadores re ′ ^ , (\displaystyle (\hat (d^(\prime ))),) s ′ ^ (\displaystyle (\hat (s^(\prime )))) Y segundo ′ ^ (\displaystyle (\hat (b^(\prime )))) representar una combinación lineal de operadores re ^ , (\displaystyle (\hat (d)),) s ^ (\displaystyle (\sombrero (s))) Y segundo ^ , (\displaystyle (\hat (b)),) es decir, la corriente hadrónica contiene un total no de tres, sino de nueve términos. Estos términos se pueden combinar en una matriz de 3x3, llamada matriz Cabibbo - Kobayashi - Maskawa. Esta matriz se puede parametrizar con tres ángulos y un factor de fase. Este último caracteriza el grado de violación. CP-invariancia en interacción débil.
Todos los términos de la corriente cargada son la suma de los operadores vectoriales y axiales con factores iguales a uno.
L = G F 2 j w ^ j w † ^ , (\displaystyle (\mathcal (L))=(\frac (G_(F))(\sqrt (2)))(\hat (j_(w)))(\ sombrero (j_(w)^(\daga ))),)Dónde j w ^ (\displaystyle (\hat (j_(w)))) es el operador actual cargado, y j w † ^ (\displaystyle (\hat (j_(w)^(\dagger ))))- conjugado con él (obtenido reemplazando e ¯ ^ ν e ^ → ν e ¯ ^ e ^ , (\displaystyle (\hat (\overline (e)))(\hat (\nu _(e)))\rightarrow (\hat (\overline (\ nu_(e))))(\hat (e)),) u ¯ ^ d ^ → d ¯ ^ u ^ (\displaystyle (\hat (\overline (u)))(\hat (d))\rightarrow (\hat (\overline (d)))(\hat (u ))) etc.)
Teoría de Weinberg-Salam
En su forma moderna, la interacción débil se describe como parte de una interacción electrodébil única en el marco de la teoría de Weinberg-Salam. Esta es una teoría cuántica de campos con un grupo calibre. S.U.(2)× Ud.(1) y la simetría rota espontáneamente del estado de vacío causada por la acción del campo del bosón de Higgs. La prueba de la renormalizabilidad de dicho modelo realizada por Martinus Veltman y Gerard 't Hooft recibió el Premio Nobel de Física de 1999.
De esta forma, la teoría de la interacción débil está incluida en el Modelo Estándar moderno, y es la única interacción que rompe las simetrías. PAG Y CP .
Según la teoría de la interacción electrodébil, la interacción débil no es contacto, sino que tiene sus propios portadores: los bosones vectoriales. W. + , W.− y z 0 con masa distinta de cero y espín igual a 1. La masa de estos bosones es de aproximadamente 90 GeV / c², lo que determina el pequeño radio de acción de las fuerzas débiles.
Al mismo tiempo, bosones cargados. W.± son responsables de la interacción de corrientes cargadas y de la existencia de un bosón neutro. z 0 también significa la existencia de corrientes neutras. De hecho, estas corrientes se han descubierto experimentalmente. Un ejemplo de interacción entre ellos es, en particular, la dispersión elástica de un neutrino por un protón. En tales interacciones se conservan tanto la apariencia de las partículas como sus cargas.
Para describir la interacción de corrientes neutras, el lagrangiano debe complementarse con un término de la forma
L = GRAMO F ρ 2 2 f 0 ^ f 0 ^ , (\displaystyle (\mathcal (L))=(\frac (G_(F)\rho )(2(\sqrt (2))))(\hat ( f_(0)))(\hat (f_(0))),)donde ρ es un parámetro adimensional, igual a la unidad en la teoría estándar (experimentalmente difiere de la unidad en no más del 1%), f 0 ^ = ν e ¯ ^ ν e ^ + ⋯ + e ¯ ^ e ^ + ⋯ + u ¯ ^ u ^ + … (\displaystyle (\hat (f_(0)))=(\hat (\overline ( \nu _(e))))(\hat (\nu _(e)))+\dots +(\hat (\overline (e)))(\hat (e))+\dots +(\hat (\overline (u)))(\hat (u))+\dots )- operador de corriente neutro autoadjunto.
A diferencia de las corrientes cargadas, el operador de corriente neutra es diagonal, es decir, transfiere partículas a sí mismas y no a otros leptones o quarks. Cada uno de los términos del operador de corriente neutra es la suma de un operador vectorial con multiplicador y un operador axial con multiplicador I 3 − 2 Q pecado 2 θ w (\displaystyle I_(3)-2Q\sin ^(2)\theta _(w)), Dónde Yo 3 (\displaystyle Yo_(3))- la tercera proyección de los llamados débiles
La fuerza débil es una de las cuatro fuerzas fundamentales que gobiernan toda la materia del Universo. Los otros tres son la gravedad, el electromagnetismo y la fuerza fuerte. Mientras que otras fuerzas mantienen unidas las cosas, la fuerza débil juega un papel importante a la hora de separarlas.
La fuerza débil es más fuerte que la gravedad, pero sólo es efectiva a distancias muy pequeñas. La fuerza opera a nivel subatómico y desempeña un papel fundamental en el impulso de las estrellas y la creación de los elementos. También es responsable de la mayor parte de la radiación natural del Universo.
teoría de fermi
El físico italiano Enrico Fermi desarrolló una teoría en 1933 para explicar la desintegración beta, el proceso por el cual un neutrón se convierte en un protón y desplaza a un electrón, a menudo llamado partícula beta en este contexto. Identificó un nuevo tipo de fuerza, la llamada fuerza débil, que era responsable de la desintegración, el proceso fundamental de convertir un neutrón en un protón, un neutrino y un electrón, que más tarde se definió como antineutrino.
Fermi originalmente asumió que había cero distancia y cohesión cero. Las dos partículas tenían que tocarse para que la fuerza actuara. Desde entonces se ha descubierto que la fuerza débil es en realidad una fuerza que se manifiesta en una distancia extremadamente corta, igual al 0,1% del diámetro del protón.
fuerza electrodébil
El primer paso en la fusión del hidrógeno es la colisión de dos protones con fuerza suficiente para superar la repulsión mutua que experimentan debido a su interacción electromagnética.
Si ambas partículas se colocan cerca una de la otra, una fuerza fuerte puede unirlas. Esto crea una forma inestable de helio (2 He), que tiene un núcleo con dos protones, a diferencia de una forma estable (4 He), que tiene dos neutrones y dos protones.
En la siguiente etapa, entra en juego la interacción débil. Debido a una sobreabundancia de protones, uno de ellos sufre desintegración beta. Después de esto, otras reacciones, incluida la formación intermedia y la fusión de 3He, eventualmente forman 4He estable.
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educación profesional superior
"Universidad Electrotécnica Estatal de San Petersburgo "LETI" que lleva el nombre de V. I. Ulyanov (Lenin)"
(SPbGETU)
Facultad de Economía y Gestión
Departamento de Física
En la disciplina "Conceptos de las ciencias naturales modernas".
sobre el tema "Interacción débil"
Comprobado:
Altmark Alexander Moiseevich
Realizado:
estudiante gr. 3603
Kolisetskaya María Vladimirovna
San Petersburgo
1. La interacción débil es una de las cuatro interacciones fundamentales.
Historia del estudio
Papel en la naturaleza
La fuerza débil es una de las cuatro fuerzas fundamentales.
La fuerza débil, o fuerza nuclear débil, es una de las cuatro fuerzas fundamentales
La interacción débil es de corto alcance: se manifiesta a distancias mucho menores que el tamaño del núcleo atómico.
Los bosones vectoriales son portadores de la interacción débil.
Por primera vez se observaron interacciones débiles durante la desintegración de los núcleos atómicos. Y resultó que estas desintegraciones están asociadas con la transformación de un protón en un neutrón en el núcleo y viceversa:
¿R? n + mi+ + ?mi, n ? p + e- + e,
donde n es un neutrón, p es un protón, e- es un electrón, ??e es un antineutrino electrónico.
Las partículas elementales suelen dividirse en tres grupos:
) fotones; este grupo consta de una sola partícula, un fotón, un cuanto de radiación electromagnética;
) leptones (del griego “leptos” - luz), que participan solo en interacciones electromagnéticas y débiles. Los leptones incluyen el electrón y el neutrino muónico, el electrón, el muón y el leptón pesado descubierto en 1975: el leptón t, o taón, con una masa de aproximadamente 3487 me, así como sus correspondientes antipartículas. El nombre de leptones se debe a que las masas de los primeros leptones conocidos eran menores que las masas de todas las demás partículas. Los leptones también incluyen el neutrino secreto, cuya existencia también se ha establecido recientemente;
) hadrones (del griego “adros” - grandes, fuertes). Los hadrones tienen interacciones fuertes junto con interacciones electromagnéticas y débiles. De las partículas discutidas anteriormente, estas incluyen el protón, el neutrón, los piones y los kaones.
Propiedades de la interacción débil.
La interacción débil tiene propiedades distintivas:
Todos los fermiones fundamentales participan en interacciones débiles.
La operación P cambia el signo de cualquier vector polar.
La operación de inversión espacial transforma el sistema en uno simétrico en espejo. La simetría especular se observa en procesos bajo la influencia de interacciones fuertes y electromagnéticas. La simetría especular en estos procesos significa que en estados simétricos especulares las transiciones se realizan con la misma probabilidad.
G.? Yang Zhenning y Li Zongdao recibieron el Premio Nobel de Física. Por sus profundos estudios de las llamadas leyes de paridad, que dieron lugar a importantes descubrimientos en el campo de las partículas elementales.
Además de la paridad espacial, la interacción débil tampoco preserva la paridad combinada de carga espacial, es decir, la única interacción conocida viola el principio de invariancia CP
La simetría de carga significa que si hay algún proceso que involucra partículas, cuando estas son reemplazadas por antipartículas (conjugación de carga), el proceso también existe y ocurre con la misma probabilidad. La simetría de carga está ausente en los procesos que involucran neutrinos y antineutrinos. En la naturaleza sólo existen neutrinos zurdos y antineutrinos diestros. Si cada una de estas partículas (para mayor precisión, consideraremos el neutrino electrónico y el antineutrino e) se somete a la operación de conjugación de carga, entonces se convertirán en objetos inexistentes con números de leptones y helicidades.
Por tanto, en interacciones débiles, la invariancia P y C se violan simultáneamente. Sin embargo, ¿qué pasa si se realizan dos operaciones consecutivas sobre un neutrino (antineutrino)? Transformaciones P y C (el orden de las operaciones no es importante), luego obtenemos nuevamente neutrinos que existen en la naturaleza. La secuencia de operaciones y (o en orden inverso) se llama transformación CP. El resultado de la transformada CP (inversión combinada) de ?e y e es el siguiente:
Así, para neutrinos y antineutrinos, la operación que transforma una partícula en antipartícula no es una operación de conjugación de carga, sino una transformación CP.
Historia del estudio
El estudio de las interacciones débiles continuó durante un largo período.
En 1896, Becquerel descubrió que las sales de uranio emiten radiación penetrante (desintegración γ del torio). Este fue el comienzo del estudio de las interacciones débiles.
En 1930, Pauli propuso la hipótesis de que durante la desintegración de ?, junto con los electrones (e), ¿se emiten partículas ligeras neutras? neutrino (?). Ese mismo año, Fermi propuso una teoría cuántica de campos de la desintegración β. La desintegración de un neutrón (n) es consecuencia de la interacción de dos corrientes: la corriente hadrónica convierte un neutrón en un protón (p), la corriente leptónica produce un par electrón + neutrino. En 1956, Reines observó por primera vez la reacción de er? ne+ en experimentos cerca de un reactor nuclear.Lee y Yang explicaron la paradoja de las desintegraciones de los mesones K+ (? ~ ? misterio)? se descompone en 2 y 3 piones. Se asocia con la no conservación de la paridad espacial. Se ha descubierto asimetría especular en la desintegración β de núcleos, en la desintegración de muones, piones, mesones K e hiperones.
En 1957, Gell-Mann, Feynman, Marshak y Sudarshan propusieron una teoría universal de interacción débil basada en la estructura de los quarks de los hadrones. Esta teoría, llamada teoría V-A, condujo a la descripción de la interacción débil utilizando diagramas de Feynman. Al mismo tiempo, se descubrieron fenómenos fundamentalmente nuevos: violación de la invariancia CP y corrientes neutrales.En la década de 1960, de Sheldon Lee Glashow
En 1991-2001, se llevó a cabo un estudio de las desintegraciones de los bosones Z0 en el acelerador LEP2 (CERN), que demostró que en la naturaleza solo existen tres generaciones de leptones: ?e, ?? ¿¿Y??.
Papel en la naturaleza
la interacción nuclear es débil
El proceso más común causado por una interacción débil es la desintegración B de núcleos atómicos radiactivos. Fenómeno de radiactividad<#"justify">Bibliografía
1. Novozhilov Yu.V. Introducción a la teoría de las partículas elementales. M.: Nauka, 1972
Okun B. Interacción débil de partículas elementales. M.: Fizmatgiz, 1963
La fuerza débil, o fuerza nuclear débil, es una de las cuatro fuerzas fundamentales de la naturaleza. Es responsable, en particular, de la desintegración beta del núcleo. Esta interacción se denomina débil, ya que las otras dos interacciones importantes para la física nuclear (fuerte y electromagnética) se caracterizan por una intensidad mucho mayor. Sin embargo, es mucho más fuerte que la cuarta de las interacciones fundamentales, la gravitacional. La fuerza de interacción débil no es suficiente para mantener las partículas cerca unas de otras (es decir, para formar estados unidos). Sólo puede manifestarse durante las desintegraciones y transformaciones mutuas de partículas.
La interacción débil es de corto alcance: se manifiesta a distancias significativamente menores que el tamaño del núcleo atómico (el radio de interacción característico es de 2,10?18 m).
Los portadores de la interacción débil son los bosones vectoriales y. En este caso se distingue entre la interacción de las llamadas corrientes débiles cargadas y corrientes débiles neutras. La interacción de corrientes cargadas (con la participación de bosones cargados) conduce a un cambio en las cargas de las partículas y a la transformación de algunos leptones y quarks en otros leptones y quarks. La interacción de corrientes neutras (con la participación de un bosón neutro) no cambia las cargas de las partículas y transforma leptones y quarks en las mismas partículas.
Por primera vez se observaron interacciones débiles durante la desintegración β de los núcleos atómicos. Y resultó que estas desintegraciones están asociadas con la transformación de un protón en un neutrón en el núcleo y viceversa:
p > n + e+ + ne, n > p + e- + e,
donde n es un neutrón, p es un protón, e- es un electrón, n?e es un antineutrino electrónico.
Las partículas elementales suelen dividirse en tres grupos:
1) fotones; este grupo consta de una sola partícula, un fotón, un cuanto de radiación electromagnética;
2) leptones (del griego “leptos” - luz), que participan únicamente en interacciones electromagnéticas y débiles. Los leptones incluyen el electrón y el neutrino muónico, el electrón, el muón y el leptón pesado descubierto en 1975, el leptón o taón, con una masa de aproximadamente 3487 me, así como sus correspondientes antipartículas. El nombre de leptones se debe a que las masas de los primeros leptones conocidos eran menores que las masas de todas las demás partículas. Los leptones también incluyen el neutrino secreto, cuya existencia también se ha establecido recientemente;
3) hadrones (del griego “adros” - grandes, fuertes). Los hadrones tienen interacciones fuertes junto con interacciones electromagnéticas y débiles. De las partículas discutidas anteriormente, estas incluyen el protón, el neutrón, los piones y los kaones.
Propiedades de la interacción débil.
La interacción débil tiene propiedades distintivas:
1. Todos los fermiones fundamentales (leptones y quarks) participan en interacciones débiles. Los fermiones (del nombre del físico italiano E. Fermi) son partículas elementales, núcleos atómicos, átomos con un valor medio entero de su propio momento angular. Ejemplos de fermiones: quarks (forman protones y neutrones, que también son fermiones), leptones (electrones, muones, leptones tau, neutrinos). Ésta es la única interacción en la que participan los neutrinos (aparte de la gravedad, que es insignificante en condiciones de laboratorio), lo que explica el colosal poder de penetración de estas partículas. La interacción débil permite a los leptones, quarks y sus antipartículas intercambiar energía, masa, carga eléctrica y números cuánticos, es decir, convertirse entre sí.
2. La interacción débil debe su nombre a que su intensidad característica es mucho menor que la del electromagnetismo. En física de partículas elementales, la intensidad de una interacción suele caracterizarse por la velocidad de los procesos provocados por esta interacción. Cuanto más rápido ocurren los procesos, mayor es la intensidad de la interacción. A energías de partículas que interactúan del orden de 1 GeV, la velocidad característica de los procesos causados por la interacción débil es de aproximadamente 10×10 s, que es aproximadamente 11 órdenes de magnitud mayor que para los procesos electromagnéticos, es decir, los procesos débiles son procesos extremadamente lentos. .
3. Otra característica de la intensidad de la interacción es el camino libre medio de las partículas en una sustancia. Entonces, para detener un hadrón volador debido a una fuerte interacción, se necesita una placa de hierro de varios centímetros de espesor. Al mismo tiempo, un neutrino, que sólo participa en interacciones débiles, puede atravesar una placa de miles de millones de kilómetros de espesor.
4. La interacción débil tiene un rango de acción muy pequeño: alrededor de 2,10-18 m (esto es aproximadamente 1000 veces menos que el tamaño del núcleo). Por esta razón, a pesar de que la interacción débil es mucho más intensa que la interacción gravitacional, cuyo radio no está limitado, juega un papel notablemente menor. Por ejemplo, incluso para núcleos ubicados a una distancia de 10 a 10 m, la interacción débil es más débil no solo que la electromagnética, sino también la gravitacional.
5. La intensidad de los procesos débiles depende en gran medida de la energía de las partículas que interactúan. Cuanto mayor es la energía, mayor es la intensidad. Por ejemplo, debido a la interacción débil, un neutrón, cuya energía en reposo es de aproximadamente 1 GeV, decae en aproximadamente 103 s, y un hiperón L, cuya masa es cien veces mayor, decae en 10 a 10 s. Lo mismo ocurre con los neutrinos energéticos: la sección transversal para la interacción con un nucleón de un neutrino con una energía de 100 GeV es seis órdenes de magnitud mayor que la de un neutrino con una energía de aproximadamente 1 MeV. Sin embargo, a energías del orden de varios cientos de GeV (en el marco del centro de masa de las partículas en colisión), la intensidad de la interacción débil se vuelve comparable a la energía de la interacción electromagnética, como resultado de lo cual pueden ser descrita de manera unificada como interacción electrodébil. En física de partículas, la fuerza electrodébil es una descripción general de dos de las cuatro fuerzas fundamentales: la fuerza débil y la fuerza electromagnética. Aunque las dos interacciones son muy diferentes a bajas energías ordinarias, en teoría parecen ser dos manifestaciones diferentes de la misma fuerza. En energías superiores a la energía de unificación (alrededor de 100 GeV), se combinan en una única interacción electrodébil. La interacción electrodébil es una interacción en la que participan quarks y leptones, emitiendo y absorbiendo fotones o bosones vectoriales intermedios pesados W+, W-, Z0. E.v. descrito por una teoría de calibre con simetría rota espontáneamente.
6. La interacción débil es la única interacción fundamental para la cual no se cumple la ley de conservación de la paridad, esto significa que las leyes a las que obedecen los procesos débiles cambian cuando el sistema se refleja. La violación de la ley de conservación de la paridad conduce al hecho de que solo las partículas zurdas (cuyo giro se dirige en dirección opuesta al impulso), pero no las diestras (cuyo giro está en la misma dirección que el impulso), están sujetas a interacción débil, y viceversa: las antipartículas diestras interactúan débilmente, pero las zurdas son inertes.
La operación de la inversión espacial P es la transformación
x, y, z, -x, -y, -z, -, .
La operación P cambia el signo de cualquier vector polar.
La operación de inversión espacial transforma el sistema en uno simétrico en espejo. La simetría especular se observa en procesos bajo la influencia de interacciones fuertes y electromagnéticas. La simetría especular en estos procesos significa que en estados simétricos especulares las transiciones se realizan con la misma probabilidad.
1957? Yang Zhenning y Li Zongdao recibieron el Premio Nobel de Física. Por sus profundos estudios de las llamadas leyes de paridad, que dieron lugar a importantes descubrimientos en el campo de las partículas elementales.
7. Además de la paridad espacial, la interacción débil tampoco preserva la paridad combinada de carga espacial, es decir, la única interacción conocida viola el principio de invariancia CP.
La simetría de carga significa que si hay algún proceso que involucra partículas, cuando estas son reemplazadas por antipartículas (conjugación de carga), el proceso también existe y ocurre con la misma probabilidad. La simetría de carga está ausente en los procesos que involucran neutrinos y antineutrinos. En la naturaleza sólo existen neutrinos zurdos y antineutrinos diestros. Si cada una de estas partículas (para mayor precisión, consideraremos el neutrino electrónico n y el antineutrino e) se somete a la operación de conjugación de carga, entonces se convertirán en objetos inexistentes con números de leptones y helicidades.
Por tanto, en interacciones débiles, la invariancia P y C se violan simultáneamente. Sin embargo, ¿qué pasa si se realizan dos operaciones consecutivas sobre un neutrino (antineutrino)? Transformaciones P y C (el orden de las operaciones no es importante), luego obtenemos nuevamente neutrinos que existen en la naturaleza. La secuencia de operaciones y (o en orden inverso) se llama transformación CP. El resultado de la transformación CP_transformación (inversión combinada) not y e es el siguiente:
Así, para neutrinos y antineutrinos, la operación que transforma una partícula en antipartícula no es una operación de conjugación de carga, sino una transformación CP.
Interacción débil
Esta interacción es la más débil de las interacciones fundamentales observadas experimentalmente en las desintegraciones de partículas elementales, donde los efectos cuánticos son fundamentalmente significativos. Recordemos que nunca se han observado manifestaciones cuánticas de interacción gravitacional. La interacción débil se distingue mediante la siguiente regla: si en el proceso de interacción participa una partícula elemental llamada neutrino (o antineutrino), entonces esta interacción es débil.
La interacción débil es mucho más intensa que la interacción gravitacional.
La interacción débil, a diferencia de la interacción gravitacional, es de corto alcance. Esto significa que la fuerza débil entre partículas sólo entra en juego si las partículas están lo suficientemente cerca unas de otras. Si la distancia entre partículas excede un cierto valor llamado radio de interacción característico, la interacción débil no se manifiesta. Se ha establecido experimentalmente que el radio característico de interacción débil es de unos 10-15 cm, es decir, la interacción débil se concentra a distancias menores que el tamaño del núcleo atómico.
¿Por qué podemos hablar de interacción débil como un tipo independiente de interacción fundamental? La respuesta es simple. Se ha establecido que existen procesos de transformación de partículas elementales que no se reducen a interacciones gravitacionales, electromagnéticas y fuertes. Un buen ejemplo que muestra que existen tres interacciones cualitativamente diferentes en los fenómenos nucleares proviene de la radiactividad. Los experimentos indican la presencia de tres tipos diferentes de radiactividad: desintegraciones radiactivas a, b y g. En este caso, la desintegración a se debe a una fuerte interacción, la desintegración g se debe a una interacción electromagnética. La desintegración B restante no puede explicarse por las interacciones electromagnética y fuerte, y nos vemos obligados a aceptar que existe otra interacción fundamental, llamada débil. En el caso general, la necesidad de introducir una interacción débil se debe al hecho de que en la naturaleza ocurren procesos en los que las leyes de conservación prohíben las desintegraciones electromagnéticas y fuertes.
Aunque la interacción débil se concentra significativamente dentro del núcleo, tiene ciertas manifestaciones macroscópicas. Como ya hemos señalado, está asociado con el proceso de radioactividad b. Además, la interacción débil juega un papel importante en las llamadas reacciones termonucleares, responsables del mecanismo de liberación de energía en las estrellas.
La propiedad más sorprendente de la interacción débil es la existencia de procesos en los que se manifiesta la asimetría especular. A primera vista parece obvio que la diferencia entre los conceptos de izquierda y derecha es arbitraria. De hecho, los procesos de interacción gravitacional, electromagnética y fuerte son invariantes con respecto a la inversión espacial, que lleva a cabo la reflexión especular. Se dice que en tales procesos la paridad espacial P se conserva. Sin embargo, se ha establecido experimentalmente que los procesos débiles pueden proceder sin conservación de la paridad espacial y, por lo tanto, parecen sentir la diferencia entre izquierda y derecha. Actualmente, existe evidencia experimental sólida de que la no conservación de la paridad en interacciones débiles es de naturaleza universal y se manifiesta no sólo en la desintegración de partículas elementales, sino también en fenómenos nucleares e incluso atómicos; Debe reconocerse que la asimetría especular es una propiedad de la Naturaleza en el nivel más fundamental.
Todos los cuerpos cargados, todas las partículas elementales cargadas participan en la interacción electromagnética. En este sentido, es bastante universal. La teoría clásica de la interacción electromagnética es la electrodinámica maxwelliana. La carga del electrón e se toma como constante de acoplamiento.
Si consideramos dos cargas puntuales q1 y q2 en reposo, entonces su interacción electromagnética se reducirá a una fuerza electrostática conocida. Esto significa que la interacción es de largo alcance y decae lentamente a medida que aumenta la distancia entre las cargas. Una partícula cargada emite un fotón, lo que provoca que cambie su estado de movimiento. Otra partícula absorbe este fotón y también cambia su estado de movimiento. Como resultado, las partículas parecen sentir la presencia de las demás. Es bien sabido que la carga eléctrica es una cantidad dimensional. Es conveniente introducir la constante de acoplamiento adimensional de la interacción electromagnética. Para hacer esto, necesita usar las constantes fundamentales y c. Como resultado, llegamos a la siguiente constante de acoplamiento adimensional, llamada constante de estructura fina en física atómica.
Es fácil ver que esta constante excede significativamente las constantes de las interacciones gravitacionales y débiles.
Desde un punto de vista moderno, las interacciones electromagnéticas y débiles representan diferentes aspectos de una única interacción electrodébil. Se ha creado una teoría unificada de la interacción electrodébil: la teoría de Weinberg-Salam-Glashow, que explica todos los aspectos de las interacciones electromagnéticas y débiles desde una posición unificada. ¿Es posible comprender a nivel cualitativo cómo se produce la división de la interacción combinada en interacciones separadas, aparentemente independientes?
Mientras las energías características sean suficientemente pequeñas, las interacciones electromagnéticas y débiles están separadas y no se afectan entre sí. A medida que aumenta la energía, comienza su influencia mutua y, a energías suficientemente altas, estas interacciones se fusionan en una única interacción electrodébil. La energía de unificación característica se estima en orden de magnitud en 102 GeV (GeV es la abreviatura de gigaelectrón-voltio, 1 GeV = 109 eV, 1 eV = 1,6 · 10-12 ergio = 1,6 · 1019 J). A modo de comparación, observamos que la energía característica de un electrón en el estado fundamental de un átomo de hidrógeno es de aproximadamente 10-8 GeV, la energía de enlace característica de un núcleo atómico es de aproximadamente 10-2 GeV y la energía de enlace característica de un sólido. es de aproximadamente 10-10 GeV. Por tanto, la energía característica de la combinación de interacciones electromagnéticas y débiles es enorme en comparación con las energías características de la física atómica y nuclear. Por esta razón, las interacciones electromagnéticas y débiles no manifiestan su esencia única en los fenómenos físicos ordinarios.
Fuerte interacción
La interacción fuerte es responsable de la estabilidad de los núcleos atómicos. Dado que los núcleos atómicos de la mayoría de los elementos químicos son estables, está claro que la interacción que evita que se desintegren debe ser bastante fuerte. Es bien sabido que los núcleos están formados por protones y neutrones. Para evitar que los protones cargados positivamente se dispersen en diferentes direcciones, es necesario que existan fuerzas de atracción entre ellos que superen las fuerzas de repulsión electrostática. Es la interacción fuerte la responsable de estas fuerzas de atracción.
Un rasgo característico de la interacción fuerte es su independencia de carga. Las fuerzas nucleares de atracción entre protones, entre neutrones y entre un protón y un neutrón son esencialmente las mismas. De ello se deduce que desde el punto de vista de las interacciones fuertes, un protón y un neutrón son indistinguibles y para ellos se utiliza el término único nucleón, es decir, partícula nuclear.
Entonces, hemos revisado la información básica sobre las cuatro interacciones fundamentales de la Naturaleza. Se describen brevemente las manifestaciones microscópicas y macroscópicas de estas interacciones y la imagen de los fenómenos físicos en los que desempeñan un papel importante.
