Vektoriniai bozonai yra silpnosios sąveikos nešėjai W + , W− ir Z 0 . Šiuo atveju išskiriama vadinamųjų įkrautų silpnų srovių ir neutralių silpnų srovių sąveika. Įkrautų srovių sąveika (dalyvaujant įkrautiems bozonams W± ) lemia dalelių krūvių pasikeitimą ir kai kurių leptonų bei kvarkų transformaciją į kitus leptonus ir kvarkus. Neutralių srovių sąveika (dalyvaujant neutraliam bozonui Z 0) nekeičia dalelių krūvių ir leptonus bei kvarkus paverčia tomis pačiomis dalelėmis.
Enciklopedinis „YouTube“.
-
1 / 5
Remdamasis Pauli hipoteze, Enrico Fermi 1933 metais sukūrė pirmąją beta skilimo teoriją. Įdomu tai, kad jie atsisakė publikuoti jo darbą žurnale Gamta, nurodydamas pernelyg didelį straipsnio abstraktumą. Fermi teorija remiasi antrinio kvantavimo metodo, panašaus į tą, kuris tuo metu jau buvo taikomas fotonų emisijos ir sugerties procesams, naudojimu. Viena iš darbe išsakytų idėjų taip pat buvo teiginys, kad iš atomo išskrendančios dalelės iš pradžių jame nebuvo, o gimė sąveikos procese.
Ilgą laiką buvo manoma, kad gamtos dėsniai veidrodinio atspindžio atžvilgiu yra simetriški, tai yra, bet kokio eksperimento rezultatas turi būti toks pat kaip eksperimento, atlikto su veidrodine simetriška instaliacija, rezultatas. Ši simetrija yra susijusi su erdvine inversija (kuri paprastai žymima kaip P) yra susijęs su pariteto išsaugojimo įstatymu. Tačiau 1956 m., teoriškai svarstydami K-mezonų irimo procesą, Yang Zhenning ir Li Zongdao pasiūlė, kad silpna sąveika gali nepaklusti šiam dėsniui. Jau 1957 m. Wu Jiansong grupė patvirtino šią prognozę atlikdama β skilimo eksperimentą, dėl kurio Yang ir Li 1957 metais pelnė Nobelio fizikos premiją. Vėliau tą patį faktą patvirtino miuono ir kitų dalelių irimas.
Norėdami paaiškinti naujus eksperimentinius faktus, 1957 m. Murray Gell-Mann, Richard Feynman, Robert Marchak ir George Sudarshan sukūrė universalią keturių fermionų silpnosios sąveikos teoriją, vadinamą V − A- teorijos.
Siekdamas išsaugoti maksimalią įmanomą sąveikų simetriją, L. D. Landau 1957 m. P-simetrija pažeidžiama silpnose sąveikose; C.P.- veidrodinio atspindžio ir dalelių pakeitimo antidalelėmis derinys. Tačiau 1964 m. Jamesas Croninas ir Val Fitch nustatė silpną neutralių kaonų skilimo pažeidimą. C.P.- paritetas. Paaiškėjo, kad už šį pažeidimą atsakinga ir silpna sąveika, be to, teorija šiuo atveju numatė, kad be dviejų iki tol žinomų kvarkų ir leptonų kartų turėtų būti dar bent viena karta. Ši prognozė pirmiausia buvo patvirtinta 1975 m., kai buvo atrastas tau leptonas, o po to 1977 m. atradus b kvarką. Croninas ir Fitchas gavo 1980 m. Nobelio fizikos premiją.
Savybės
Visi pagrindiniai fermionai (leptonai ir kvarkai) dalyvauja silpnoje sąveikoje. Tai vienintelė sąveika, kurioje dalyvauja neutrinai (neskaitant gravitacijos, kuri laboratorinėmis sąlygomis yra nereikšminga), kas paaiškina didžiulę šių dalelių prasiskverbimo galią. Silpna sąveika leidžia leptonams, kvarkams ir jų antidalelėms keistis energija, mase, elektros krūviu ir kvantiniais skaičiais – tai yra virsti vienas kitu.
Silpna sąveika gavo savo pavadinimą dėl to, kad jai būdingas intensyvumas yra daug mažesnis nei elektromagnetizmo. Elementariųjų dalelių fizikoje sąveikos intensyvumas paprastai apibūdinamas šios sąveikos sukeltų procesų greičiu. Kuo greičiau vyksta procesai, tuo didesnis sąveikos intensyvumas. Esant 1 GeV dydžio sąveikaujančių dalelių energijai, būdingas silpnos sąveikos sukeltų procesų greitis yra apie 10–10 s, o tai yra maždaug 11 dydžių kategorijų daugiau nei elektromagnetiniams procesams, tai yra, silpni procesai yra labai lėti procesai. .
Kita sąveikos intensyvumo ypatybė – laisvas dalelių kelias medžiagoje. Taigi, norint sustabdyti skraidantį hadroną dėl stiprios sąveikos, reikia kelių centimetrų storio geležies plokštės. O neutrinas, dalyvaujantis tik silpnoje sąveikoje, gali praskristi per milijardų kilometrų storio plokštę.
Be kita ko, silpnoji sąveika turi labai mažą veikimo diapazoną – apie 2·10–18 m (tai yra maždaug 1000 kartų mažesnė už branduolio dydį). Būtent dėl šios priežasties, nepaisant to, kad silpnoji sąveika yra daug intensyvesnė nei gravitacinė sąveika, kurios spindulys yra neribotas, ji vaidina pastebimai mažesnį vaidmenį. Pavyzdžiui, net 10–10 m atstumu esančių branduolių silpnoji sąveika yra silpnesnė ne tik už elektromagnetinę, bet ir gravitacinę.
Šiuo atveju silpnų procesų intensyvumas stipriai priklauso nuo sąveikaujančių dalelių energijos. Kuo didesnė energija, tuo didesnis intensyvumas. Pavyzdžiui, dėl silpnos sąveikos neutronas, kurio energijos išsiskyrimas beta skilimo metu yra apie 0,8 MeV, suyra maždaug per 10 3 s, o Λ-hiperonas, kurio energijos išsiskyrimas yra maždaug šimtą kartų didesnis - jau per 10 −10 s. Tas pats pasakytina ir apie energetinius neutrinus: sąveikos su 100 GeV energijos neutrino nukleonu skerspjūvis yra šešiomis eilėmis didesnis nei neutrino, kurio energija yra apie 1 MeV. Tačiau esant kelių šimtų GeV energijų (susiduriančių dalelių masės centro rėmuose), silpnosios sąveikos intensyvumas tampa panašus į elektromagnetinės sąveikos energiją, todėl jas galima apibūdinti. vieningu būdu kaip elektrosilpnoji sąveika.
Silpna sąveika yra vienintelė esminė sąveika, kuriai netenkina pariteto išsaugojimo dėsnis, tai reiškia, kad dėsniai, valdantys silpnus procesus, keičiasi, kai sistema yra atspindima. Pariteto išsaugojimo dėsnio pažeidimas lemia tai, kad silpnai sąveikauja tik kairiarankės dalelės (kurių sukimasis nukreiptas priešingai impulsui), bet ne dešiniarankės (kurių sukimas yra suderintas su impulsu). , ir atvirkščiai: dešiniarankės antidalelės sąveikauja silpnai, o kairiarankės yra inertiškos.
Be erdvinio pariteto, silpna sąveika taip pat neišsaugo kombinuoto erdvės ir krūvio pariteto, ty vienintelė žinoma sąveika pažeidžia principą C.P.- nekintamumas.
Teorinis aprašymas
Fermi teorija
Pirmąją silpnosios sąveikos teoriją 1930-aisiais sukūrė Enrico Fermi. Jo teorija remiasi formalia β skilimo proceso ir elektromagnetinių fotonų emisijos procesų analogija. Fermio teorija remiasi vadinamųjų hadrono ir leptono srovių sąveika. Be to, priešingai nei elektromagnetizmas, daroma prielaida, kad jų sąveika yra kontaktinio pobūdžio ir nereiškia, kad yra nešiklio, panašaus į fotoną. Šiuolaikiniu raštu keturių pagrindinių fermionų (protono, neutrono, elektrono ir neutrino) sąveiką apibūdina formos operatorius.
G F 2 p ¯ ^ n ^ ⋅ e ¯ ^ ν ^ (\displaystyle (\frac (G_(F))(\sqrt (2)))(\hat (\overline (p)))(\hat (n) )\cdot (\hat (\overline (e)))(\hat (\nu ))),Kur G F (\displaystyle G_(F))- vadinamoji Fermi konstanta, skaitinė lygi maždaug 10–48 J/m³ arba 10–5 / m p 2 (\displaystyle 10^(-5)/m_(p)^(2)) (m p (\displaystyle m_(p))- protonų masė) vienetų sistemoje, kur ℏ = c = 1 (\displaystyle \hbar =c=1); p ¯ ^ (\displaystyle (\hat (\overline (p))))- protonų kūrimo (arba antiprotono sunaikinimo) operatorius, n ^ (\displaystyle (\hat (n)))- neutronų naikinimo operatorius (antineutroninis gimdymas), e ¯ ^ (\displaystyle (\hat (\overline (e))))- elektronų kūrimo operatorius (pozitrono sunaikinimas), ν ^ (\displaystyle (\hat (\nu )))- neutrinų naikinimo operatorius (antineutrino gimimas).
Darbas p ¯ ^ n ^ (\displaystyle (\hat (\overline (p)))(\hat (n))), atsakingas už neutrono perkėlimą į protoną, vadinamas nukleono srove ir e ¯ ^ ν ^ , (\displaystyle (\hat (\overline (e)))(\hat (\nu )),) elektroną paverčiant neutrinu – leptonu. Teigiama, kad šios srovės, panašios į elektromagnetines sroves, yra 4 vektorių p ¯ ^ γ μ n ^ (\displaystyle (\hat (\overline (p)))\gamma _(\mu )(\hat (n))) Ir e ¯ ^ γ μ ν ^ (\displaystyle (\hat (\overline (e)))\gamma _(\mu )(\hat (\nu ))) (γ μ , μ = 0 … 3 (\displaystyle \gamma _(\mu ),~\mu =0\taškai 3)- Dirako matricos). Todėl jų sąveika vadinama vektoriumi.
Esminis skirtumas tarp Fermi įvestų silpnų srovių ir elektromagnetinių yra tas, kad jos keičia dalelių krūvį: teigiamai įkrautas protonas tampa neutraliu neutronu, o neigiamai įkrautas elektronas – neutraliu neutrinu. Šiuo atžvilgiu šios srovės vadinamos įkrautomis srovėmis.
Universali V-A teorija
Universali silpnosios sąveikos teorija, dar vadinama V−A-teoriją, 1957 metais pasiūlė M. Gell-Mann, R. Feynman, R. Marshak ir J. Sudarshan. Šioje teorijoje buvo atsižvelgta į neseniai įrodytą pariteto pažeidimo faktą ( P-simetrija) su silpna sąveika. Šiuo tikslu silpnos srovės buvo vaizduojamos kaip vektorinės srovės suma V ir ašinis A(iš čia ir teorijos pavadinimas).
Vektorinės ir ašinės srovės Lorenco transformacijose veikia lygiai taip pat. Tačiau erdvinės inversijos metu jų elgsena skiriasi: vektoriaus srovė šios transformacijos metu išlieka nepakitusi, tačiau ašinė srovė keičia ženklą, o tai lemia pariteto pažeidimą. Be to, srovės V Ir A skiriasi vadinamuoju krūvio paritetu (pažeidžia C-simetrija).
Panašiai hadrono srovė yra visų kartų kvarko srovių suma ( u- viršutinė, d- žemesnė, c- sužavėtas, s- keista, t- tiesa, b- mieli kvarkai):
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 ))).) Tačiau skirtingai nuo leptono srovės, čia operatoriai d ′ ^ , (\displaystyle (\hat (d^(\prime ))),) Ir s ′ ^ (\displaystyle (\hat (s^(\prime )))) b ′ ^ (\displaystyle (\hat (b^(\prime )))) yra tiesinis operatorių derinys d ^ , (\displaystyle (\hat (d)),) Ir s ^ (\displaystyle (\hat (s))) b ^ , (\displaystyle (\hat (b)),) C.P. tai yra, hadrono srovėje iš viso yra ne trys, o devyni terminai. Šiuos terminus galima sujungti į vieną 3x3 matricą, vadinamą Cabibbo – Kobayashi – Maskawa matrica. Šią matricą galima parametruoti trimis kampais ir fazės koeficientu. Pastarasis apibūdina pažeidimo laipsnį
- silpnos sąveikos nekintamumas.
Visi įkrautos srovės terminai yra vektoriaus ir ašinių operatorių, kurių koeficientai lygūs vienetui, suma.Kur L = G F 2 j w ^ j w † ^ , (\displaystyle (\mathcal (L))=(\frac (G_(F))(\sqrt (2)))(\hat (j_(w)))(\ skrybėlė (j_(w)^(\durklas ))),) j w ^ (\displaystyle (\hat (j_(w)))) yra įkrautas srovės operatorius ir j w † ^ (\displaystyle (\hat (j_(w)^(\durklas )))) - susieti su juo (gaunama pakeičiant u ¯ ^ d ^ → d ¯ ^ u ^ (\displaystyle (\hat (\overline (u)))(\hat (d))\rightarrow (\hat (\overline (d)))(\hat (u ))) ir tt)
Weinberg-Salamo teorija
Šiuolaikine forma silpnoji sąveika apibūdinama kaip vienos elektrosilpnos sąveikos dalis Weinberg-Salam teorijos rėmuose. Tai kvantinio lauko teorija su matuoklio grupe S.U.(2) × U(1) ir spontaniškai nutrūkusi vakuuminės būsenos simetrija, kurią sukelia Higso bozono lauko veikimas. Martinuso Veltmano ir Gerardo 't Hoofto įrodymas, kad toks modelis yra renormalizuojamas, buvo apdovanotas Nobelio fizikos premija 1999 m.
Šia forma silpnosios sąveikos teorija įtraukta į šiuolaikinį standartinį modelį, ir tai yra vienintelė sąveika, kuri pažeidžia simetrijas. P Ir C.P. .
Pagal elektrosilpnosios sąveikos teoriją silpnoji sąveika nėra kontaktas, o turi savo nešėjus – vektorinius bozonus. W + , W− ir Z 0 kurių masė yra nulinė, o sukinys lygus 1. Šių bozonų masė yra apie 90 GeV / c², o tai lemia mažą silpnų jėgų veikimo spindulį.
Tuo pačiu metu įkrauti bozonai W± yra atsakingi už įkrautų srovių sąveiką ir neutralaus bozono egzistavimą Z 0 reiškia ir neutralių srovių buvimą. Tokios srovės iš tiesų buvo aptiktos eksperimentiniu būdu. Sąveikos su jais pavyzdys yra, visų pirma, elastinga neutrino sklaida protonu. Tokiose sąveikose išsaugoma ir dalelių išvaizda, ir jų krūviai.
Norint apibūdinti neutralių srovių sąveiką, Lagranžo reikia papildyti formos terminu
L = G F ρ 2 2 f 0 ^ f 0 ^ , (\displaystyle (\mathcal (L))=(\frac (G_(F)\rho )(2(\sqrt (2))))(\hat ( f_(0)))(\hat (f_(0))),)kur ρ yra bematis parametras, lygus vienybei standartinėje teorijoje (eksperimentiškai jis skiriasi nuo vienybės ne daugiau kaip 1%), f 0 ^ = ν e ¯ ^ ν e ^ + ⋯ + e ¯ ^ e ^ + ⋯ + u ¯ ^ u ^ + … (\displaystyle (\hat (f_(0)))=(\hat (\overline () \nu _(e))))(\hat (\nu _(e)))+\taškai +(\hat (\overline (e)))(\hat (e))+\taškai +(\hat (\overline (u)))(\hat (u))+\taškai )- savarankiškas neutralios srovės operatorius.
Skirtingai nuo įkrautų srovių, neutralios srovės operatorius yra įstrižas, tai yra, jis daleles perduoda į save, o ne į kitus leptonus ar kvarkus. Kiekvienas neutralios srovės operatoriaus narys yra vektorinio operatoriaus su daugikliu ir ašinio operatoriaus su daugikliu suma I 3 − 2 Q sin 2 θ w (\displaystyle I_(3)-2Q\sin ^(2)\theta _(w)), Kur I 3 (\displaystyle I_ (3))- trečioji vadinamųjų silpnųjų projekcija
Silpnoji jėga yra viena iš keturių pagrindinių jėgų, valdančių visą materiją Visatoje. Kiti trys yra gravitacija, elektromagnetizmas ir stipri jėga. Nors kitos jėgos laiko daiktus kartu, silpnoji jėga vaidina svarbų vaidmenį juos suskaidant.
Silpna jėga yra stipresnė už gravitaciją, tačiau ji veiksminga tik labai nedideliais atstumais. Jėga veikia subatominiame lygmenyje ir atlieka svarbų vaidmenį varant žvaigždes ir kuriant elementus. Ji taip pat yra atsakinga už didžiąją dalį natūralios radiacijos Visatoje.
Fermi teorija
Italų fizikas Enrico Fermi 1933 metais sukūrė teoriją, paaiškinančią beta skilimą – neutrono virsmo protonu ir elektrono išstūmimo procesą, šiame kontekste dažnai vadinamą beta dalele. Jis nustatė naują jėgos tipą, vadinamąją silpnąją jėgą, kuri buvo atsakinga už skilimą, pagrindinį neutrono pavertimo protonu, neutrinu ir elektronu procesą, kuris vėliau buvo apibrėžtas kaip antineutrinas.
Fermi iš pradžių manė, kad yra nulinis atstumas ir nulinė sanglauda. Dvi dalelės turėjo liestis, kad jėga veiktų. Nuo tada buvo nustatyta, kad silpnoji jėga iš tikrųjų yra jėga, kuri pasireiškia per labai trumpą atstumą, lygų 0,1% protono skersmens.
Electroweak jėga
Pirmasis vandenilio sintezės žingsnis yra dviejų protonų susidūrimas, turintis pakankamai jėgos, kad įveiktų abipusį atstūmimą, kurį jie patiria dėl elektromagnetinės sąveikos.
Jei abi dalelės yra arti viena kitos, stipri jėga gali jas surišti. Taip susidaro nestabili helio forma (2 He), kurios branduolys yra su dviem protonais, o ne stabili forma (4 He), kurioje yra du neutronai ir du protonai.
Kitame etape atsiranda silpna sąveika. Dėl protonų pertekliaus vienas iš jų patiria beta skilimą. Po to kitos reakcijos, įskaitant tarpinį 3He susidarymą ir susiliejimą, galiausiai sudaro stabilų 4He.
RUSIJOS ŠVIETIMO IR MOKSLO MINISTERIJA
Federalinė valstybės biudžetinė švietimo įstaiga
aukštasis profesinis išsilavinimas
„Sankt Peterburgo valstybinis elektrotechnikos universitetas „LETI“, pavadintas V. I. Uljanovo (Lenino) vardu“
(SPbGETU)
Ekonomikos ir vadybos fakultetas
Fizikos katedra
disciplinoje „Šiuolaikinio gamtos mokslo sampratos“
tema "Silpna sąveika"
Patikrinta:
Altmarkas Aleksandras Moisevičius
Užbaigta:
studentas gr. 3603
Kolisetskaja Marija Vladimirovna
Sankt Peterburgas
1. Silpna sąveika yra viena iš keturių pagrindinių sąveikų
Tyrimo istorija
Vaidmuo gamtoje
Silpnoji jėga yra viena iš keturių pagrindinių jėgų
Silpnoji jėga arba silpnoji branduolinė jėga yra viena iš keturių pagrindinių jėgų
Silpna sąveika yra trumpalaikė – ji pasireiškia žymiai mažesniais atstumais nei atomo branduolio dydis
Vektoriniai bozonai yra silpnosios sąveikos nešėjai
Pirmą kartą silpna sąveika buvo pastebėta irstant atominiams branduoliams. Ir, kaip paaiškėjo, šie skilimai yra susiję su protono transformacija į neutroną branduolyje ir atvirkščiai:
r? n + e+ + ?e, n ? p + e- + e,
kur n yra neutronas, p yra protonas, e- yra elektronas, ??e yra elektronų antineutrinas.
Elementariosios dalelės paprastai skirstomos į tris grupes:
) fotonai; ši grupė susideda tik iš vienos dalelės – fotono – elektromagnetinės spinduliuotės kvanto;
) leptonai (iš graikų „leptos“ - šviesa), dalyvaujantys tik elektromagnetinėje ir silpnoje sąveikoje. Leptonai apima elektronų ir miuonų neutrinus, elektroną, miuoną ir sunkųjį leptoną, atrastą 1975 m. – t-leptoną arba taoną, kurio masė yra maždaug 3487 me, taip pat atitinkamas jų antidaleles. Leptonų pavadinimas atsirado dėl to, kad pirmųjų žinomų leptonų masės buvo mažesnės už visų kitų dalelių masę. Leptonai taip pat apima slaptąjį neutriną, kurio egzistavimas taip pat neseniai buvo nustatytas;
) hadronai (iš graikų „adros“ - dideli, stiprūs). Hadronai turi stiprią sąveiką kartu su elektromagnetinėmis ir silpnomis. Iš aukščiau aptartų dalelių tai yra protonas, neutronas, pionai ir kaonai.
Silpnosios sąveikos savybės
Silpna sąveika turi išskirtinių savybių:
Visi pagrindiniai fermionai dalyvauja silpnoje sąveikoje
Operacija P pakeičia bet kurio polinio vektoriaus ženklą
Erdvinės inversijos operacija paverčia sistemą veidrodine simetriška. Veidrodinė simetrija stebima procesuose, veikiant stipriai ir elektromagnetinei sąveikai. Veidrodinė simetrija šiuose procesuose reiškia, kad veidrodinės simetrijos būsenose perėjimai realizuojami su ta pačia tikimybe.
G.? Yang Zhenning, Li Zongdao gavo Nobelio fizikos premiją. Už nuodugnius vadinamųjų pariteto dėsnių tyrimus, dėl kurių buvo padaryti svarbūs atradimai elementariųjų dalelių srityje.
Be erdvinio pariteto, silpna sąveika taip pat neišsaugo kombinuoto erdvės ir krūvio pariteto, ty vienintelė žinoma sąveika pažeidžia CP invariancijos principą.
Krūvio simetrija reiškia, kad jei vyksta koks nors procesas, kuriame dalyvauja dalelės, tai jas pakeitus antidalelėmis (krūvio konjugacija), procesas taip pat egzistuoja ir įvyksta su ta pačia tikimybe. Krūvio simetrijos nėra procesuose, kuriuose dalyvauja neutrinai ir antineutrinai. Gamtoje egzistuoja tik kairiarankiai neutrinai ir dešiniarankiai antineutrinai. Jei kiekviena iš šių dalelių (dėl apibrėžtumo laikysime elektronų neutriną? e ir antineutriną e) bus veikiama krūvio konjugacijos, tada jos pavirs neegzistuojančiais objektais su leptonų skaičiais ir sraigtukais.
Taigi, esant silpnai sąveikai, P- ir C-invariancija pažeidžiama vienu metu. Tačiau ką daryti, jei su neutrinu (antineutrinu) atliekamos dvi iš eilės operacijos? P- ir C-transformacijos (operacijų tvarka nesvarbi), tada vėl gauname neutrinus, kurie egzistuoja gamtoje. Veiksmų seka ir (arba atvirkštine tvarka) vadinama CP transformacija. e ir e CP transformacijos (kombinuotos inversijos) rezultatas yra toks:
Taigi neutrinams ir antineutrinams operacija, paverčianti dalelę antidalele, yra ne krūvio konjugacijos operacija, o CP transformacija.
Tyrimo istorija
Silpnos sąveikos tyrimas tęsėsi ilgą laiką.
1896 m. Becquerel atrado, kad urano druskos skleidžia prasiskverbiančią spinduliuotę (torio skilimą γ). Tai buvo silpnų sąveikų tyrimo pradžia.
1930 m. Pauli iškėlė hipotezę, kad skilimo metu kartu su elektronais (e) išsiskiria šviesos neutralios dalelės? neutrinas (?). Tais pačiais metais Fermi pasiūlė β skilimo kvantinio lauko teoriją. Neutrono (n) skilimas yra dviejų srovių sąveikos pasekmė: hadrono srovė neutroną paverčia protonu (p), leptono srovė sukuria elektronų + neutrino porą. 1956 m. Reines pirmą kartą pastebėjo er? ne+ eksperimentuose prie branduolinio reaktoriaus.Lee ir Yang paaiškino K+ mezonų irimo paradoksą (? ~ ? paslaptis)? suskaidyti į 2 ir 3 pionus. Tai siejama su erdvinio pariteto neišsaugojimu. Veidrodinė asimetrija buvo aptikta branduolių β irimo, miuonų, pionų, K-mezonų ir hiperonų skilimo metu.
1957 m. Gell-Mann, Feynman, Marshak ir Sudarshan pasiūlė universalią silpnosios sąveikos teoriją, pagrįstą hadronų kvarkų struktūra. Ši teorija, vadinama V-A teorija, paskatino silpnosios sąveikos aprašymą naudojant Feynmano diagramas. Tuo pačiu metu buvo atrasti iš esmės nauji reiškiniai: CP invariancijos ir neutralių srovių pažeidimas.1960-aisiais Sheldon Lee Glashow
1991-2001 metais LEP2 akceleratoriuje (CERN) buvo atliktas Z0 bozonų skilimo tyrimas, kuris parodė, kad gamtoje yra tik trys leptonų kartos: ?e, ?? Ir??.
Vaidmuo gamtoje
branduolinė sąveika silpna
Dažniausias procesas, kurį sukelia silpna sąveika, yra radioaktyviųjų atomų branduolių b-skilimas. Radioaktyvumo reiškinys<#"justify">Naudotos literatūros sąrašas
1. Novožilovas Yu.V. Įvadas į elementariųjų dalelių teoriją. M.: Nauka, 1972 m
Okun B. Silpna elementariųjų dalelių sąveika. M.: Fizmatgiz, 1963 m
Silpna jėga arba silpnoji branduolinė jėga yra viena iš keturių pagrindinių gamtos jėgų. Jis ypač atsakingas už branduolio beta skilimą. Ši sąveika vadinama silpnąja, nes kitos dvi branduolinei fizikai reikšmingos sąveikos (stiprioji ir elektromagnetinė) pasižymi daug didesniu intensyvumu. Tačiau jis yra daug stipresnis nei ketvirtoji iš pagrindinių sąveikų – gravitacinė. Silpnos sąveikos jėgos nepakanka, kad dalelės būtų šalia viena kitos (t. y. sudarytų susietas būsenas). Jis gali pasireikšti tik dalelių irimo bei abipusių transformacijų metu.
Silpna sąveika yra trumpalaikė – ji pasireiškia žymiai mažesniais nei atomo branduolio dydis atstumais (būdingas sąveikos spindulys 2·10?18 m).
Silpnosios sąveikos nešėjai yra vektoriniai bozonai ir. Šiuo atveju išskiriama vadinamųjų įkrautų silpnų srovių ir neutralių silpnų srovių sąveika. Įkrautų srovių sąveika (dalyvaujant įkrautiems bozonams) lemia dalelių krūvių pasikeitimą ir kai kurių leptonų bei kvarkų transformaciją į kitus leptonus ir kvarkus. Neutralių srovių sąveika (dalyvaujant neutraliam bozonui) nekeičia dalelių krūvių, o leptonus ir kvarkus paverčia tomis pačiomis dalelėmis.
Pirmą kartą silpna sąveika buvo pastebėta β-skilimo metu atominiams branduoliams. Ir, kaip paaiškėjo, šie skilimai yra susiję su protono transformacija į neutroną branduolyje ir atvirkščiai:
p > n + e+ + ne, n > p + e- + e,
kur n – neutronas, p – protonas, e- – elektronas, n?e – elektronų antineutrinas.
Elementariosios dalelės paprastai skirstomos į tris grupes:
1) fotonai; ši grupė susideda tik iš vienos dalelės – fotono – elektromagnetinės spinduliuotės kvanto;
2) leptonai (iš graikų „leptos“ - šviesa), dalyvaujantys tik elektromagnetinėje ir silpnoje sąveikoje. Leptonai apima elektronų ir miuonų neutrinus, elektroną, miuoną ir sunkųjį leptoną, atrastą 1975 m. – leptoną arba taoną, kurio masė yra maždaug 3487 me, taip pat atitinkamas antidaleles. Leptonų pavadinimas atsirado dėl to, kad pirmųjų žinomų leptonų masės buvo mažesnės už visų kitų dalelių masę. Leptonai taip pat apima slaptąjį neutriną, kurio egzistavimas taip pat neseniai buvo nustatytas;
3) hadronai (iš graikų „adros“ - dideli, stiprūs). Hadronai turi stiprią sąveiką kartu su elektromagnetinėmis ir silpnomis. Iš aukščiau aptartų dalelių tai yra protonas, neutronas, pionai ir kaonai.
Silpnosios sąveikos savybės
Silpna sąveika turi išskirtinių savybių:
1. Visi pagrindiniai fermionai (leptonai ir kvarkai) dalyvauja silpnoje sąveikoje. Fermionai (iš italų fiziko E. Fermio vardo) – tai elementariosios dalelės, atomų branduoliai, atomai, kurių kampinio impulso vertė yra pusiau sveikoji. Fermionų pavyzdžiai: kvarkai (jie sudaro protonus ir neutronus, kurie taip pat yra fermionai), leptonai (elektronai, miuonai, tau leptonai, neutrinai). Tai vienintelė sąveika, kurioje dalyvauja neutrinai (neskaitant gravitacijos, kuri laboratorinėmis sąlygomis yra nereikšminga), kas paaiškina didžiulę šių dalelių prasiskverbimo galią. Silpna sąveika leidžia leptonams, kvarkams ir jų antidalelėms keistis energija, mase, elektros krūviu ir kvantiniais skaičiais – tai yra virsti vienas kitu.
2. Silpnoji sąveika gavo savo pavadinimą dėl to, kad jai būdingas intensyvumas yra daug mažesnis nei elektromagnetizmo. Elementariųjų dalelių fizikoje sąveikos intensyvumas paprastai apibūdinamas šios sąveikos sukeltų procesų greičiu. Kuo greičiau vyksta procesai, tuo didesnis sąveikos intensyvumas. Esant 1 GeV eilės sąveikaujančių dalelių energijai, būdingas silpnos sąveikos sukeltų procesų greitis yra apie 10×10 s, o tai yra maždaug 11 dydžių kategorijų didesnis nei elektromagnetinių procesų, tai yra, silpni procesai yra itin lėti procesai. .
3. Kita sąveikos intensyvumo charakteristika yra vidutinis laisvas dalelių kelias medžiagoje. Taigi, norint sustabdyti skraidantį hadroną dėl stiprios sąveikos, reikia kelių centimetrų storio geležies plokštės. Tuo pačiu metu neutrinas, dalyvaujantis tik silpnoje sąveikoje, gali praskristi per milijardų kilometrų storio plokštę.
4. Silpna sąveika turi labai mažą veikimo diapazoną – apie 2·10-18 m (tai yra maždaug 1000 kartų mažiau už branduolio dydį). Būtent dėl šios priežasties, nepaisant to, kad silpnoji sąveika yra daug intensyvesnė nei gravitacinė sąveika, kurios spindulys neribojamas, ji vaidina pastebimai mažesnį vaidmenį. Pavyzdžiui, net 10–10 m atstumu esantiems branduoliams silpnoji sąveika yra silpnesnė ne tik už elektromagnetinę, bet ir gravitacinę.
5. Silpnų procesų intensyvumas stipriai priklauso nuo sąveikaujančių dalelių energijos. Kuo didesnė energija, tuo didesnis intensyvumas. Pavyzdžiui, dėl silpnos sąveikos neutronas, kurio ramybės energija yra apytiksliai 1 GeV, suyra maždaug per 103 s, o L hiperonas, kurio masė šimtą kartų didesnė, suyra per 10–10 s. Tas pats pasakytina ir apie energetinius neutrinus: sąveikos su 100 GeV energijos neutrino nukleonu skerspjūvis yra šešiomis eilėmis didesnis nei neutrino, kurio energija yra apie 1 MeV. Tačiau esant kelių šimtų GeV energijoms (susiduriančių dalelių masės centro rėmuose), silpnosios sąveikos intensyvumas tampa panašus į elektromagnetinės sąveikos energiją, todėl jos gali būti vieningai apibūdinama kaip elektrosilpna sąveika. Dalelių fizikoje elektrosilpnoji jėga yra bendras dviejų iš keturių pagrindinių jėgų apibūdinimas: silpnoji jėga ir elektromagnetinė jėga. Nors šios dvi sąveikos labai skiriasi esant įprastoms žemoms energijoms, teoriškai jos atrodo kaip dvi skirtingos tos pačios jėgos apraiškos. Kai energija viršija susivienijimo energiją (apie 100 GeV), jie susijungia į vieną elektrosilpną sąveiką. Electroweak sąveika – tai sąveika, kurioje dalyvauja kvarkai ir leptonai, išspinduliuojantys ir sugeriantys fotonus arba sunkiuosius tarpinius vektorinius bozonus W+, W-, Z0. E.v. aprašyta matuoklio teorija su spontaniškai nutrūkusia simetrija.
6. Silpnoji sąveika yra vienintelė esminė sąveika, kuriai netenkinamas pariteto išsaugojimo dėsnis, tai reiškia, kad dėsniai, kuriems paklūsta silpni procesai, keičiasi, kai sistema yra atspindima. Pariteto išsaugojimo dėsnio pažeidimas lemia tai, kad pažeidžiamos tik kairiarankės dalelės (kurių sukimasis nukreiptas priešingai impulsui), bet ne dešiniarankės (kurių sukimas yra ta pačia kryptimi kaip impulsas). į silpną sąveiką ir atvirkščiai: dešiniarankės antidalelės sąveikauja silpnai, o kairiarankės yra inertiškos.
Erdvinės inversijos P operacija yra transformacija
x, y, z, -x, -y, -z, -, .
Operacija P pakeičia bet kurio polinio vektoriaus ženklą
Erdvinės inversijos operacija paverčia sistemą veidrodine simetriška. Veidrodinė simetrija stebima procesuose, veikiant stipriai ir elektromagnetinei sąveikai. Veidrodinė simetrija šiuose procesuose reiškia, kad veidrodinės simetrijos būsenose perėjimai realizuojami su ta pačia tikimybe.
1957? Yang Zhenning, Li Zongdao gavo Nobelio fizikos premiją. Už nuodugnius vadinamųjų pariteto dėsnių tyrimus, dėl kurių buvo padaryti svarbūs atradimai elementariųjų dalelių srityje.
7. Be erdvinio pariteto, silpnoji sąveika taip pat neišsaugo kombinuoto erdvės ir krūvio pariteto, tai yra vienintelė žinoma sąveika pažeidžia CP nekintamumo principą.
Krūvio simetrija reiškia, kad jei vyksta koks nors procesas, kuriame dalyvauja dalelės, tai jas pakeitus antidalelėmis (krūvio konjugacija), procesas taip pat egzistuoja ir įvyksta su ta pačia tikimybe. Krūvio simetrijos nėra procesuose, kuriuose dalyvauja neutrinai ir antineutrinai. Gamtoje egzistuoja tik kairiarankiai neutrinai ir dešiniarankiai antineutrinai. Jei kiekviena iš šių dalelių (apibrėžtumo dėlei apsvarstysime elektronų neutriną n ir antineutriną e) bus veikiama krūvio konjugacijos, tada jos pavirs neegzistuojančiais objektais su leptonų skaičiais ir sraigtukais.
Taigi, esant silpnai sąveikai, P- ir C-invariancija pažeidžiama vienu metu. Tačiau ką daryti, jei su neutrinu (antineutrinu) atliekamos dvi iš eilės operacijos? P- ir C_transformacijos (operacijų tvarka nėra svarbi), tada vėl gauname neutrinus, kurie egzistuoja gamtoje. Veiksmų seka ir (arba atvirkštine tvarka) vadinama CP transformacija. CP_transformacijos (kombinuotos inversijos) not ir e rezultatas yra toks:
Taigi neutrinams ir antineutrinams operacija, paverčianti dalelę antidalele, yra ne krūvio konjugacijos operacija, o CP transformacija.
Silpna sąveika
Ši sąveika yra silpniausia iš pagrindinių sąveikų, eksperimentiškai stebimų elementariųjų dalelių skilimo metu, kur kvantiniai efektai yra iš esmės reikšmingi. Prisiminkime, kad gravitacinės sąveikos kvantinės apraiškos niekada nebuvo pastebėtos. Silpna sąveika išskiriama pagal tokią taisyklę: jei sąveikos procese dalyvauja elementarioji dalelė, vadinama neutrinu (arba antineutrinu), tai ši sąveika yra silpna.
Silpna sąveika yra daug intensyvesnė nei gravitacinė sąveika.
Silpna sąveika, skirtingai nei gravitacinė sąveika, yra trumpo nuotolio. Tai reiškia, kad silpna jėga tarp dalelių veikia tik tuo atveju, jei dalelės yra pakankamai arti viena kitos. Jei atstumas tarp dalelių viršija tam tikrą reikšmę, vadinamą būdingu sąveikos spinduliu, silpnoji sąveika nepasireiškia. Eksperimentiškai nustatyta, kad būdingas silpnosios sąveikos spindulys yra apie 10-15 cm, tai yra, silpnoji sąveika koncentruojasi mažesniais atstumais nei atomo branduolio dydis.
Kodėl apie silpną sąveiką galime kalbėti kaip apie savarankišką fundamentaliosios sąveikos tipą? Atsakymas paprastas. Nustatyta, kad egzistuoja elementariųjų dalelių virsmo procesai, kurie nėra redukuojami iki gravitacinės, elektromagnetinės ir stiprios sąveikos. Geras pavyzdys, rodantis, kad branduoliniuose reiškiniuose yra trys kokybiškai skirtingos sąveikos, yra radioaktyvumas. Eksperimentai rodo, kad yra trys skirtingi radioaktyvumo tipai: a-, b- ir g-radioaktyvūs skilimai. Šiuo atveju a-skilimas atsiranda dėl stiprios sąveikos, g-skilimas dėl elektromagnetinės sąveikos. Likęs b-skilimas negali būti paaiškintas elektromagnetine ir stipria sąveika, todėl esame priversti pripažinti, kad egzistuoja kita esminė sąveika, vadinama silpnąja. Bendru atveju silpnosios sąveikos įvedimo būtinybė kyla dėl to, kad gamtoje vyksta procesai, kuriuose elektromagnetinis ir stiprus skilimas draudžiami gamtosaugos įstatymais.
Nors silpnoji sąveika labai susikoncentruoja branduolyje, ji turi tam tikrų makroskopinių apraiškų. Kaip jau minėjome, jis yra susijęs su b-radioaktyvumo procesu. Be to, silpnoji sąveika atlieka svarbų vaidmenį vadinamosiose termobranduolinėse reakcijose, atsakingose už energijos išsiskyrimo žvaigždėse mechanizmą.
Įspūdingiausia silpnosios sąveikos savybė yra procesų, kuriuose pasireiškia veidrodinė asimetrija, egzistavimas. Iš pirmo žvilgsnio atrodo akivaizdu, kad skirtumas tarp sąvokų kairysis ir dešinysis yra savavališkas. Iš tiesų, gravitacinės, elektromagnetinės ir stiprios sąveikos procesai yra nekintami erdvinės inversijos, kuri atlieka veidrodinį atspindį, atžvilgiu. Teigiama, kad tokiuose procesuose išsaugomas erdvinis paritetas P. Tačiau eksperimentiškai nustatyta, kad silpni procesai gali vykti neišsaugant erdvinio pariteto, todėl atrodo, kad jie jaučia skirtumą tarp kairės ir dešinės. Šiuo metu yra tvirtų eksperimentinių įrodymų, kad pariteto neišsaugojimas esant silpnoms sąveikoms yra universalus, jis pasireiškia ne tik elementariųjų dalelių skilimu, bet ir branduoliniais bei net atominiais reiškiniais. Reikėtų pripažinti, kad veidrodinė asimetrija yra gamtos savybė pačiame pamatiniame lygmenyje.
Visi įkrauti kūnai, visos įkrautos elementarios dalelės dalyvauja elektromagnetinėje sąveikoje. Šia prasme jis yra gana universalus. Klasikinė elektromagnetinės sąveikos teorija yra Maksvelio elektrodinamika. Elektronų krūvis e laikomas sujungimo konstanta.
Jei atsižvelgsime į du taškinius krūvius q1 ir q2 ramybės būsenoje, tai jų elektromagnetinė sąveika bus sumažinta iki žinomos elektrostatinės jėgos. Tai reiškia, kad sąveika yra toli ir mažėja lėtai, kai atstumas tarp krūvių didėja. Įkrauta dalelė skleidžia fotoną, todėl jos judėjimo būsena pasikeičia. Kita dalelė sugeria šį fotoną ir taip pat keičia jo judėjimo būseną. Dėl to dalelės, atrodo, jaučia viena kitos buvimą. Gerai žinoma, kad elektros krūvis yra matmenų dydis. Patogu įvesti bematę elektromagnetinės sąveikos sujungimo konstantą. Norėdami tai padaryti, turite naudoti pagrindines konstantas ir c. Dėl to gauname tokią bedimens jungties konstantą, vadinamą smulkiosios struktūros konstanta atomų fizikoje
Nesunku pastebėti, kad ši konstanta gerokai viršija gravitacinės ir silpnosios sąveikos konstantas.
Šiuolaikiniu požiūriu elektromagnetinė ir silpnoji sąveika yra skirtingi vienos elektrosilpnos sąveikos aspektai. Sukurta vieninga elektrosilpnos sąveikos teorija – Weinberg-Salam-Glashow teorija, kuri iš vieningos pozicijos paaiškina visus elektromagnetinės ir silpnosios sąveikos aspektus. Ar įmanoma kokybiniu lygmeniu suprasti, kaip vyksta kombinuotos sąveikos padalijimas į atskiras, atrodytų, nepriklausomas sąveikas?
Kol būdingos energijos yra pakankamai mažos, elektromagnetinė ir silpnoji sąveika yra atskirtos ir viena kitos neveikia. Didėjant energijai, prasideda jų tarpusavio įtaka, o esant pakankamai didelėms energijoms šios sąveikos susilieja į vieną elektrosilpną sąveiką. Būdinga susivienijimo energija įvertinta 102 GeV dydžio tvarka (GeV yra gigaelektronvoltas, 1 GeV = 109 eV, 1 eV = 1,6 10-12 erg = 1,6 1019 J). Palyginimui pažymime, kad vandenilio atomo pagrindinėje būsenoje būdinga elektrono energija yra apie 10-8 GeV, būdinga atomo branduolio surišimo energija yra apie 10-2 GeV, o būdinga kietojo kūno jungimosi energija. yra apie 10-10 GeV. Taigi elektromagnetinės ir silpnosios sąveikos derinio būdinga energija yra didžiulė, palyginti su būdingomis atomų ir branduolių fizikos energijomis. Dėl šios priežasties įprastuose fizikiniuose reiškiniuose elektromagnetinė ir silpnoji sąveika nepasireiškia vienintele savo esme.
Stipri sąveika
Stipri sąveika yra atsakinga už atomų branduolių stabilumą. Kadangi daugumos cheminių elementų atominiai branduoliai yra stabilūs, akivaizdu, kad sąveika, kuri neleidžia jiems irti, turi būti gana stipri. Gerai žinoma, kad branduoliai susideda iš protonų ir neutronų. Kad teigiamai įkrauti protonai neišsklaidytų įvairiomis kryptimis, būtina tarp jų turėti patrauklias jėgas, viršijančias elektrostatinės atstūmimo jėgas. Būtent stipri sąveika yra atsakinga už šias patrauklias jėgas.
Būdingas stiprios sąveikos bruožas yra nepriklausomumas nuo krūvio. Branduolinės traukos jėgos tarp protonų, tarp neutronų ir tarp protono ir neutrono iš esmės yra vienodos. Iš to išplaukia, kad stiprios sąveikos požiūriu protonas ir neutronas yra neatskiriami ir jiems naudojamas vienas terminas nukleonas, tai yra branduolinė dalelė.
Taigi, mes peržiūrėjome pagrindinę informaciją apie keturias pagrindines gamtos sąveikas. Trumpai aprašomos mikroskopinės ir makroskopinės šių sąveikų apraiškos ir fizinių reiškinių, kuriuose jos vaidina svarbų vaidmenį, vaizdas.
