Laikas yra kaip upė, nešanti praeinančius įvykius, o jos srovė stipri; Kai tik kas nors iškyla prieš akis, jis jau buvo išneštas, o jūs galite pamatyti dar ką nors, kas taip pat netrukus bus išnešta.

Markas Aurelijus

Kiekvienas iš mūsų siekiame sukurti holistinį pasaulio vaizdą, įskaitant Visatos vaizdą, nuo mažiausių subatominių dalelių iki didžiausio masto. Tačiau fizikos dėsniai kartais yra tokie keisti ir priešingi intuityviams, kad ši užduotis gali tapti neįveikiama tiems, kurie netapo profesionaliais teoriniais fizikais.

Skaitytojas klausia:

Nors tai ne astronomija, gal galite ką nors patarti. Stiprią jėgą neša gliuonai ir sujungia kvarkus bei gliuonus. Elektromagnetiką neša fotonai ir suriša elektriškai įkrautas daleles. Manoma, kad gravitaciją neša gravitonai ir sujungia visas daleles su mase. Silpnąją neša W ir Z dalelės, ir... siejama su skilimu? Kodėl taip apibūdinama silpnoji jėga? Ar silpnoji jėga yra atsakinga už kokių nors dalelių pritraukimą ir (arba) atstūmimą? O kokius? O jei ne, kodėl tai yra viena iš pagrindinių sąveikų, jei ji nesusijusi su jokiomis jėgomis? ačiū.

Ir visa tai yra sąveika, jėga. Dalelėms, kurių būseną galima išmatuoti, jėgos taikymas keičia savo momentą – įprastame gyvenime tokiais atvejais kalbame apie pagreitį. Ir trims iš šių jėgų tai tiesa.

Gravitacijos atveju bendras energijos kiekis (daugiausia masė, bet tai apima visą energiją) išlenkia erdvėlaikį, o visų kitų dalelių judėjimas pasikeičia esant bet kam, kas turi energijos. Taip tai veikia klasikinėje (nekvantinėje) gravitacijos teorijoje. Galbūt yra bendresnė teorija, kvantinė gravitacija, kur keičiasi gravitonai, o tai lemia tai, ką mes stebime kaip gravitacinę sąveiką.

Prieš tęsdami supraskite:

1. Dalelės turi savybę arba kažką joms būdingo, leidžiančio joms jausti (arba nejausti) tam tikros rūšies jėgą
2. Kitos dalelės, turinčios sąveiką, sąveikauja su pirmosiomis
3. Dėl sąveikos dalelės keičia savo momentą arba pagreitėja

Elektromagnetizme pagrindinė savybė yra elektros krūvis. Skirtingai nuo gravitacijos, ji gali būti teigiama arba neigiama. Fotonas, dalelė, kuri neša jėgą, susijusią su krūviu, priverčia panašius krūvius atstumti, o skirtingus krūvius pritraukti.

Verta paminėti, kad judantys krūviai, arba elektros srovės, patiria dar vieną elektromagnetizmo apraišką – magnetizmą. Tas pats atsitinka ir su gravitacija, ir tai vadinama gravitomagnetizmu (arba gravitoelektromagnetizmu). Mes nesigilinsime - esmė ta, kad yra ne tik krūvis ir jėgos nešiklis, bet ir srovės.

Taip pat yra stipri branduolinė sąveika, kuri turi trijų tipų krūvius. Nors visos dalelės turi energijos ir yra veikiamos gravitacijos, ir nors kvarkai, pusė leptonų ir bozonų pora turi elektrinių krūvių, tik kvarkai ir gliuonai turi spalvotą krūvį ir gali patirti stiprią branduolinę jėgą.

Visur daug masių, todėl gravitaciją nesunku stebėti. Ir kadangi stipri jėga ir elektromagnetizmas yra gana stiprūs, juos taip pat lengva stebėti.

Bet kaip su pastaruoju? Silpna sąveika?

Dažniausiai apie tai kalbame radioaktyvaus skilimo kontekste. Sunkusis kvarkas arba leptonas skyla į lengvesnius ir stabilesnius. Taip, silpna sąveika yra su tuo susiję. Tačiau šiame pavyzdyje jis kažkaip skiriasi nuo kitų jėgų.

Pasirodo, silpna sąveika taip pat yra jėga, tik apie tai ne dažnai kalbama. Ji silpna! 10 000 000 kartų silpnesnis už elektromagnetizmą protono skersmens atstumu.

Įkrauta dalelė visada turi krūvį, nepriklausomai nuo to, ar ji juda, ar ne. Tačiau jos sukurta elektros srovė priklauso nuo jos judėjimo kitų dalelių atžvilgiu. Srovė lemia magnetizmą, kuris yra toks pat svarbus kaip ir elektrinė elektromagnetizmo dalis. Sudėtinės dalelės, tokios kaip protonas ir neutronas, turi reikšmingų magnetinių momentų, kaip ir elektronas.

Kvarkai ir leptonai būna šešių skonių. Kvarkai – viršus, apačia, keistas, žavus, žavus, tikras (pagal jų raidžių žymėjimus lotyniškais u, d, s, c, t, b – aukštyn, žemyn, keistas, žavesys, viršuje, apačioje). Leptonai – elektronas, elektronas-neutrinas, miuonas, miuonas-neutrinas, tau, tau-neutrinas. Kiekvienas iš jų turi elektros krūvį, bet ir kvapą. Jei sujungsime elektromagnetizmą ir silpnąją jėgą, kad gautume elektrosilpną jėgą, tada kiekviena dalelė turės silpną krūvį arba elektrosilpną srovę ir silpnos jėgos konstantą. Visa tai aprašyta Standartiniame modelyje, tačiau jį išbandyti buvo gana sunku, nes elektromagnetizmas toks stiprus.

Naujame eksperimente, kurio rezultatai buvo neseniai paskelbti, silpnos sąveikos indėlis buvo išmatuotas pirmą kartą. Eksperimentas leido nustatyti silpną aukštyn ir žemyn tekančių kvarkų sąveiką

Ir silpni protono ir neutrono krūviai. Standartinio modelio prognozės dėl silpnų krūvių buvo tokios:

Q W (p) = 0,0710 ± 0,0007,
Q W (n) = -0,9890 ± 0,0007.

Remiantis sklaidos rezultatais, eksperimentas davė šias vertes:

Q W (p) = 0,063 ± 0,012,
Q W (n) = -0,975 ± 0,010.

Tai labai gerai sutampa su teorija, atsižvelgiant į klaidą. Eksperimentuotojai teigia, kad apdorojant daugiau duomenų jie dar labiau sumažins klaidą. Ir jei yra kokių nors netikėtumų ar nukrypimų nuo standartinio modelio, tai bus puiku! Bet niekas to nerodo:

Todėl dalelės turi silpną krūvį, tačiau apie tai nekalbame, nes jį išmatuoti nerealiai sunku. Bet vis tiek tai padarėme ir atrodo, kad iš naujo patvirtinome standartinį modelį.

Leptonas gali viprominituoti arba absorbuoti W bozoną ir virsti neutrinu;
kvarkas gali viprominituoti arba absorbuoti W bozoną ir pakeisti jo skonį, tapdamas kitų kvarkų superpozicija;
leptonas arba kvarkas gali absorbuoti arba viprominituoti Z-bozoną

Dalelės gebėjimas silpnai sąveikauti apibūdinamas kvantiniu skaičiumi, vadinamu silpnu izospinu. Galimos dalelių, kurios gali keistis W ir Z bozonais, izospin vertės yra ± 1/2. Būtent šios dalelės sąveikauja per silpną sąveiką. Dalelės su nuliu silpnu izospinu, kurioms W ir Z bozonų mainų procesai neįmanomi, nesąveikauja per silpną savitarpio ryšį. Silpnas izospinas išsaugomas reakcijose tarp elementariųjų dalelių. Tai reiškia, kad visų reakcijoje dalyvaujančių dalelių bendras silpnas izospinas išlieka nepakitęs, nors dalelių tipai gali keistis.
Silpnos sąveikos ypatybė yra ta, kad ji pažeidžia paritetą, nes tik fermionai, turintys kairiarankį chiralumą, ir fermionų, kurių chiralumas dešinėje, antidalelės turi galimybę silpnai sąveikauti per įkrautas sroves. Pariteto neišsaugojimą esant silpnoms sąveikoms atrado Yang Zhenning ir Li Zhengdao, už kuriuos jie gavo Nobelio fizikos premiją 1957 m. Pariteto neišsaugojimo priežastis yra spontaniškas simetrijos lūžis. Standartiniame modelyje simetrijos laužymas atitinka hipotetinę dalelę – Higso bozoną. Tai vienintelė įprasto modelio dalelė, kuri dar nebuvo atrasta eksperimentiškai.
Esant silpnai sąveikai, CP simetrija taip pat pažeidžiama. Šis pažeidimas buvo aptiktas eksperimentiškai 1964 m., atliekant eksperimentus su kaonu. Atradimo autoriai Jamesas Croninas ir Val Fitch buvo apdovanoti Nobelio premija 1980 m. CP simetrijos pažeidimas pasitaiko daug rečiau nei pariteto pažeidimas. Tai taip pat reiškia, kadangi CPT simetrijos išsaugojimas grindžiamas esminiais fiziniais principais – Lorenco transformacijomis ir trumpojo nuotolio sąveika, T simetrijos sulaužymo galimybę, t.y. fizikinių procesų nekintamumas laiko krypties pokyčių atžvilgiu.

1969 metais buvo sukonstruota vieninga elektromagnetinės ir silpnosios branduolinės sąveikos teorija, pagal kurią esant 100 GeV energijoms, kurios atitinka 10 15 K temperatūrą, išnyksta skirtumas tarp elektromagnetinių ir silpnųjų procesų. Vieningos elektrosilpnos ir stiprios branduolinės sąveikos teorijos eksperimentiniam patikrinimui reikia padidinti greitintuvo energiją šimtą milijardų kartų.
Elektrosilpnos sąveikos teorija remiasi SU(2) simetrijos grupe.
Nepaisant mažo dydžio ir trumpos trukmės, silpna sąveika gamtoje vaidina labai svarbų vaidmenį. Jei būtų įmanoma „išjungti“ silpną sąveiką, tada Saulė užgestų, nes vyksta protono pavertimo neutronu, pozitronu ir neutrinu procesas, dėl kurio 4 protonai virsta 4 He, du. pozitronai ir du neutrinai, taptų neįmanomi. Šis procesas yra pagrindinis Saulės ir daugumos žvaigždžių energijos šaltinis (žr. Vandenilio ciklą). Silpni sąveikos procesai yra svarbūs žvaigždžių evoliucijai, nes dėl jų labai karštų žvaigždžių energija prarandama supernovų sprogimo metu, kai susidaro pulsarai ir kt. Jei gamtoje nebūtų silpnos sąveikos, miuonai, pi-mezonai ir kitos dalelės būtų stabilios ir plačiai paplitusios įprastoje materijoje. Tokį svarbų silpnosios sąveikos vaidmenį lemia tai, kad ji nepaklūsta daugeliui stipriajai ir elektromagnetinei sąveikai būdingų draudimų. Visų pirma, silpna sąveika įkrautus leptonus paverčia neutrinais, o vieno skonio kvarkus – kito skonio kvarkais.

Pamoka-paskaita, aiškinanti naują medžiagą, 2 val., 11 kl

Šiandien mes apsvarstysime kitą, 4-ą, pagrindinių sąveikų tipą, kurio negalima redukuoti į bet kurį iš aukščiau išvardytų dalykų - silpna sąveika. Sužinome nuostabų faktą, kad nedideliais atstumais silpnoji sąveika tampa neatskiriama nuo elektromagnetinės.

Silpna sąveika. Neatsitiktinai ši sąveika vadinama silpna. Pirma, jos apraiškos retai sutinkamos mūsų kasdieniame gyvenime, o jau seniai esame įpratę prie įvairių gravitacinių ir elektromagnetinių sąveikų apraiškų (pavyzdžiui, visų kūnų kritimo į Žemę, trinties, žaibo ir kt.), prie rezultatų. branduolinių jėgų, užtikrinančių mus supančios medžiagos stabilumą, veikimo. Antra, ši sąveika iš tiesų yra silpna, nes jo intensyvumas esant žemoms energijoms, neviršijančioms 1 GeV – protono ramybės energija – yra milijardus kartų mažesnis už stiprios ir elektromagnetinės sąveikos intensyvumą.

Be to, patirtis rodo, kad stiprios ir elektromagnetinės sąveikos gali užtikrinti tiek įvairias dalelių transformacijas, tiek kokio nors materialaus objekto vientisumą (pavyzdžiui, stipri sąveika užtikrina branduolio vientisumą, elektromagnetinė sąveika – kristalinės gardelės vientisumą). 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.

Nepaisant visų silpnos sąveikos „silpnybių“, tai labai svarbu. Būtent ši sąveika mikro lygiu yra atsakinga už energijos išsiskyrimą žvaigždėse, įskaitant Saulę. Galime pasakyti, kad tiesiogine prasme negalime gyventi be šios sąveikos! Be to, radioaktyviųjų branduolių skilimas, kaip žinote, taip pat vyksta dėl silpnos sąveikos.

Taigi, kokios yra pagrindinės silpnosios sąveikos savybės?

– Silpna sąveika esant žemai energijai daug silpnesnė už stipriąją ir elektromagnetinę sąveiką;

– silpna sąveika yra trumpalaikė: jos veikimo spindulys apie 10–18 m;

– silpna sąveika yra universali: joje dalyvauja beveik visos dalelės, išskyrus fotonus. Be to, yra dalelių, kurios dalyvauja tik esant silpnai sąveikai, pavyzdžiui, neutrinai ir antineutrinai;

– esant silpnai sąveikai, kai kurie, atrodytų, universalūs išsaugojimo dėsniai netenkinami (šis klausimas aptariamas savarankiško darbo medžiagoje, žr. toliau).

Kaip žinia, kiekviena iš sąveikų vykdoma per specialias elementarias daleles – vienos ar kitos sąveikos nešiklius. Pavyzdžiui, fotonai yra elektromagnetinės sąveikos nešėjai, gliuonai – stiprios sąveikos nešėjai. Šiuo metu mokslininkai bando atrasti gravitacinės sąveikos nešėjus – gravitonus.

Silpnosios sąveikos nešėjai yra tarpiniai vektoriniai bozonai. Yra žinomi 3 jų tipai: W – , W + , Z 0 . Šios dalelės turi labai didelę masę: mW 85m p, m Z 96m p, Kur m p– protonų masė.

Išsamiau apibūdinkime tarpinių bozonų vaidmenį silpnosios sąveikos procesuose. Pavyzdžiui, kvarko irimo metu d skleidžia neutroną W- bozonas ir virsta kvarku u, todėl neutronas virsta protonu: du + W– , – ir tada W– - bozonas skyla į elektroną ir antineutriną: [Tačiau reikia pabrėžti, kad dėl labai didelės masės W-bosonas efektyviai -skilimas vyksta taip, kad visa vidinė silpnų sąveikų „struktūra“ neatsiranda ir atsispindi tik nedidelėje sąveikos konstantoje. Bet jei tirsime silpnos sąveikos procesus esant energijai, panašiai į masę W(t.y. apie 100 GeV), tada čia įnašas W- Bozonas yra aiškiai matomas. – Red.]

2. Vieninga elektrosilpnoji sąveika. Tolesni teoriniai tyrimai lėmė tai, kad fundamentalių sąveikų vaizdas pradėjo supaprastėti. Paaiškėjo, kad elektromagnetinė ir silpnoji sąveika yra tos pačios sąveikos, kuri vadinama, apraiškos elektrosilpna sąveika. Ši mintis pirmą kartą (savarankiškai) išsakyta 1967 m. S. Veinbergas Ir A.Salam, iškeldamas tokią hipotezę: silpnosios ir elektromagnetinės sąveikos pobūdis yra vienodas, nes nedideliais atstumais silpnos sąveikos stiprumas prilygsta elektromagnetinėms, o skirtumas tarp tarpinių vektorių bozonų ir fotonų išnyksta. Kitaip tariant, esant energijai, viršijančiai kelis šimtus gigaelektronvoltų, elektromagnetinės ir silpnos sąveikos intensyvumas tampa neatskiriamas, jos tarsi susilieja į vieną elektrosilpna sąveika.

Atkreipkite dėmesį, kad Weinbergas ir Salamas rėmėsi ankstesne prielaida, kad silpnosios sąveikos nešėjai yra tarpiniai vektorių bozonai. Šios dalelės eksperimentiškai buvo aptiktos daug vėliau (1983 m.).

3. Weinberg-Salam hipotezės pagrindimas. Weinbergas ir Salamas padarė išvadą apie vienos elektrosilpnos jėgos egzistavimą, pagrįstą naujomis pagrindinėmis fizinėmis idėjomis:
1) vietinio matuoklio invariantiškumas;
2) spontaniškas simetrijos lūžis.

Iš hipotezės išplaukia, kad nedideliais atstumais tarpiniai vektoriniai bozonai savo savybėmis nesiskiria nuo fotonų, o tai reiškia, kad tarpiniai vektoriniai bozonai ir fotonai iš tikrųjų yra dvi tos pačios dalelės apraiškos – elektrosilposios sąveikos nešėjas (kitaip sąveikos jėga negali būti vienoda). Tai įmanoma tik baigus vietinio gabarito invariancijos (simetrijos) principas,(žr. diagramą).

Paaiškėjo, kad pasikeitus masteliui, t.y. mažėjant atstumui, elektrosilpnos sąveikos nešėjai iš vienos iš savo apraiškų – fotonų – pereina į kitą savo pasireiškimą – tarpinius vektorinius bozonus – tačiau jų mainai vyksta taip pat lengvai.

Tačiau čia iškilo naujas klausimas: kaip tarpiniai vektoriniai bozonai ir fotonai gali būti tų pačių dalelių apraiškos, jei fotonai turi nulinę masę, o tarpiniai vektoriniai bozonai turi labai dideles mases? Kadangi tai yra tos pačios dalelės, jų masė turi sutapti. Atrodė, kad susiklostė beviltiška situacija.

Paaiškėjo, kad tarpiniai vektoriniai bozonai gali įgyti savo masę dėl tam tikro mechanizmo, vadinamo spontaniškas simetrijos lūžis. Šis mechanizmas yra labai sudėtingas, bet pabandykime pažvelgti į jo esmę naudodamiesi keliais paprastais pavyzdžiais.

Atskirų atomų judėjimo dėsniai tenkina erdvinės simetrijos principą, t.y. nesikeičia, kai atomas juda skirtingomis kryptimis. Tačiau susidarius kristalui ši simetrija sulaužoma savaime, ir kristalo savybės skirtingomis kryptimis nebebus vienodos. Taigi, kristalas turi daug specifinių savybių, palyginti su laisvais atomais, pavyzdžiui, gebėjimą būti įmagnetintas.

Kamuolys, esantis pakelto butelio dugno centre, bus pusiausvyroje. Sistema turi ašinę simetriją. Tačiau ši pusiausvyros padėtis yra nestabili. Paliktas savavališkai, rutulys, veikiamas savavališkai nedidelio trikdymo, nukris žemyn į įgaubtą dugną. Tokia kamuoliuko padėtis yra stabili, nes ji atitinka minimalią potencialią energiją Žemės gravitaciniame lauke.

Panašiai, kalbant pačiais bendriausiais terminais, spontaniško lokalinio gabarito simetrijos pažeidimo mechanizmas, užtikrinantis tarpinių vektorių bozonų „bemasiškumą“ ir jų tapatumą su fotonais, lemia masės atsiradimą tarpiniuose vektorių bozonuose ir dėl to skirtumus tarpinių vektorių bozonuose. išorinis silpnosios ir elektromagnetinės sąveikos pasireiškimas.

Pirmiau nurodytos nuostatos sudaro vieninga elektrosilpnosios sąveikos teorija. Būtent iš to atsirado trijų tipų tarpinių vektorių bozonai W – , W + , Z 0, taip pat buvo prognozuojamos jų masių reikšmės.

1983 m. eksperimentinis tarpinių vektorių bozonų atradimas patvirtino vieningos elektrosilpnos sąveikos teorijos pagrįstumą. Taip pat kviečiame susipažinti su šiais eksperimentais (klausimas pateiktas savarankiško mokymosi medžiagoje).

Taigi vietoj keturių pagrindinių sąveikų galime kalbėti tik apie tris: gravitacinę, stiprią ir elektrosilpną.

1. Apsaugos įstatymų nesilaikymas esant silpnai sąveikai. Buvo nustatyta, kad esant silpnai sąveikai, kai kurie iš pažiūros universalūs išsaugojimo dėsniai nevykdomi, kurie įvykdomi su kitomis trimis pagrindinėmis sąveikomis (žr. diagramą).

Panagrinėkime dėsnius, kurie negalioja silpnoje sąveikoje.

Erdvinio pariteto išsaugojimo dėsnis ( P-paritetas). Jie taip sako erdvinio lygumo išsaugojimo dėsnis bet kuriame procese vykdomas, jei procesas yra veidrodinis simetriškas, t.y. eina lygiai taip pat į dešinę ir į kairę, palyginti su pasirinktu centru. Kitaip tariant, pats procesas ir jo atspindys veidrodyje vyksta lygiai taip pat.

1957 m. Ts Wu nustatė, kad pariteto išsaugojimo įstatymas negalioja esant silpnai sąveikai. Tam tikra medžiaga, turinti kobalto β-aktyvų izotopą, buvo patalpinta į ritę su srove, sukuriant magnetinį lauką (laukas reikalingas sukinių orientacijai ir branduolių vidiniams magnetiniams momentams nustatyti). Paaiškėjo, kad vienoje pusėje (pavyzdžiui, aukštyn) buvo išspinduliuota apie 40% daugiau elektronų nei kitoje.

Patirtis apie tikrą instaliaciją (aukščiau) ir jos atspindį veidrodyje (žemiau)

Kai visas vaizdas bus atspindėtas, pavyzdžiui, palyginti su žemiau esančiu veidrodžiu, pamatysime visiškai kitokį reiškinį (dauguma elektronų skrenda žemyn, nors laukas IN žiedinė srovė vis tiek nukreipta į viršų). Kad skilimo reiškinys veidrodyje vyktų lygiai taip pat, turi pasikeisti „vyraujančios“ elektronų emisijos kryptis (aukštyn). Pažeidžiamas erdvinio pariteto išsaugojimo įstatymas, kurio nebūtų, jei elektronai būtų išspinduliuojami vienoda tikimybe tiek aukštyn, tiek žemyn.

Taip galima iliustruoti erdvinio pariteto neišsaugojimo reiškinį esant silpnoms sąveikoms. Silpnos sąveikos metu gimusios dalelės (elektronai, miuonai, taonai) yra išilgai poliarizuotos. Tai reiškia, kad jie turi savo kampinį momentą – sukimąsi j , kuri tam tikros dalelės atveju visada yra arba vienakryptė su dalelės impulsu p , arba nukreiptas priešinga kryptimi. Kai šios dalelės atsispindi veidrodyje, šie vektoriai keičia kryptį įvairiais būdais. Sukimas nekeičia krypties, bet pagreitis. Tačiau dalelės su gautu išdėstymu p Ir j tiesiog neegzistuoja, todėl veidrodyje procesas vyksta kitaip.

Dalelė su išilgine poliarizacija: A) rudenį; b) atspindys

2. Tarpinių vektorių bozonų atradimas. 1983 m. eksperimentiškai buvo patvirtintas tarpinių vektorių bozonų egzistavimas. Žinoma, kad pagrindinis elementariųjų dalelių fizikos tyrimo metodas yra sklaidos metodas, t.y. skirtingų dalelių susidūrimas tarpusavyje, dėl kurio gimsta naujos dalelės. Pastaruoju metu plačiai naudojami greitintuvai – greitintuvai, kuriuose susiduria du dalelių pluoštai, kurių bendras impulsas nulinis (dalelės iš skirtingų pluoštų turi vienodo dydžio, bet priešingos krypties impulsus). Jie taip sako procesas nagrinėjamas susidūrusių dalelių inercijos centro sistemoje. Kolideryje gimstančias naujas daleles fiksuoja įvairūs detektoriai.

Taigi, susidurkime protonų ir antiprotonų pluoštus, kurių kiekvieno dalelės energija yra lygi E. Tada bendra dviejų dalelių susidūrimo energija yra 2 E. Atsižvelgiant į 2 E > ponia 2 šiame susidūrime dalelė su mase M. Pažvelkime į procesą: , Kur X yra visų galimų būsenų rinkinys, pvz.

Tarpinių vektorių bozonų gimimą iliustruojame diagrama.

Kvarkas u iš protono ir antikvarkas iš antiprotono gali susilieti į W+ (tai parodyta diagramoje). Panašiai poros gali duoti susiliedamos Z 9 - bozonas, pora - W– – bozonas. Tačiau gimusios šios dalelės greitai suyra. Pavyzdžiui ir pan.

Pozitroną arba teigiamai įkrautą miuoną galima aptikti labai efektyviai detektoriais, ir tai bus tarpinio vektoriaus bozono gimimo ženklas. Tuo pačiu metu neutrinai išskrenda, išnešdami didelę dalį energijos.

Eksperimentinis vektorinių tarpinių bozonų atradimas patvirtino vieningos elektrosilpnos sąveikos teorijos pagrįstumą.

1. Išvardykite ir paaiškinkite gamtosaugos dėsnius, taikomus silpnai sąveikai.

2. Kokia yra erdvinio lygybės išsaugojimo dėsnio esmė?

3. Paaiškinkite, kaip buvo įrodytas erdvinio pariteto išsaugojimo dėsnio nesilaikymas esant silpnai sąveikai. Kada ir kas atliko šį eksperimentą?

4. Kaip dar galite iliustruoti erdvinio pariteto neišsaugojimo reiškinį esant silpnai sąveikai?

5. Kuo erdvinės lygybės išsaugojimo dėsnis skiriasi nuo kombinuotosios lygybės išsaugojimo dėsnio? Kodėl negalime kalbėti apie tai, kad ji gali būti silpna sąveika?

6. Kodėl buvo įvestos keistenybės ir žavesys? Kokias vertybes jie gali priimti? Ką galima pasakyti apie šių kiekių išsaugojimą esant silpnai sąveikai?

7. Kuo izotopinis sukinys skiriasi nuo izotopinio multipleto? Pateikite izotopinio multipleto pavyzdį. Ar esant silpnai sąveikai visada pažeidžiamas izospino išsaugojimo įstatymas?

8. Kaip manote, kodėl prieš koliderių konstravimą nebuvo įmanoma eksperimentiškai įrodyti tarpinių vektorių bozonų egzistavimo?

9. Paaiškinkite tarpinių vektorinių bozonų susidarymo greitintuve procesą.

10. Kaip aptinkami greitintuve susidarę tarpiniai vektoriniai bozonai?

Myakishev G.Ya. Elementariosios dalelės. – M.: Nauka, 1979 m.

Kurso „Atomo branduolio ir elementariųjų dalelių fizika“ gairės: Comp. Vasilevskis A.S. 1, 2 dalys. – Kirovas: GPI, 1990 m.

Mukhin K.N. Linksma branduolinė fizika. – M.: Energoatomizdat, 1985m.

Naumovas A.I. Atomo branduolio ir elementariųjų dalelių fizika. – M.: Išsilavinimas, 1984 m.

Ešeriai L.B. Elementariųjų dalelių fizika. – M.: Nauka, 1988 m.

Orir J. Populiarioji fizika. – M.: Mir, 1964 m.

Elementariųjų dalelių fizika. Astrofizika: enciklopedija „Šiuolaikinis gamtos mokslas“. T. 4. – M.: Leidykla Magistr-Press, 2000 m.

1996 m. baigė Kirovo valstybinį pedagoginį universitetą, aukščiausios kvalifikacinės kategorijos fizikos mokytojas, pedagoginio darbo stažas 9 metai, metodininkas, mokslų daktaras. Vedęs, turi du vaikus.

Vyat GSU Fizikos fakulteto 5 kurso studentas.

Skaitytojas yra susipažinęs su skirtingo pobūdžio jėgomis, kurios pasireiškia sąveikos tarp kūnų. Bet iš esmės skirtingi tipai sąveika labai mažai. Be gravitacijos, kuri vaidina svarbų vaidmenį tik esant didžiulėms masėms, žinomos tik trys sąveikos rūšys: stiprus, elektromagnetiniai ir silpnas.

Elektromagnetinis sąveika visi žino. Jų dėka netolygiai judantis elektros krūvis (tarkime, elektronas atome) skleidžia elektromagnetines bangas (pavyzdžiui, matomą šviesą). Su šia sąveikų klase yra susiję visi cheminiai procesai, taip pat visi molekuliniai reiškiniai – paviršiaus įtampa, kapiliarumas, adsorbcija, takumas. Elektromagnetinis sąveika, kurių teoriją puikiai patvirtina patirtis, yra glaudžiai susijusios su elektros krūviu elementarus dalelių.

Stiprus sąveika tapo žinoma tik atradus vidinę atomo branduolio sandarą. 1932 m. buvo nustatyta, kad jį sudaro nukleonai, neutronai ir protonai. Ir tiksliai stiprus sąveika jungti branduolyje esančius nukleonus – atsakingi už branduolines jėgas, kurioms, skirtingai nei elektromagnetinėms, būdingas labai trumpas veikimo diapazonas (apie 10-13, t.y. viena dešimtoji trilijonoji centimetro dalis) ir didelis intensyvumas. Be to, stiprus sąveika atsiranda susidūrimų metu dalelių didelė energija, susijusi su pionais ir vadinamaisiais „keistais“ dalelių.

Sąveikos intensyvumą patogu įvertinti naudojant vadinamąjį vidutinį laisvąjį kelią dalelių tam tikroje substancijoje, t.y. palei vidutinį kelio ilgį, kuris dalelė gali prasiskverbti pro šią medžiagą tol, kol įvyks destruktyvus arba stipriai nukreipiantis susidūrimas. Akivaizdu, kad kuo ilgesnis vidutinis laisvas kelias, tuo mažiau intensyvi sąveika.

Jei svarstysime dalelių labai didelė energija, tada susidūrimai sukelia stiprūs sąveikos, pasižymi laisvu keliu dalelių, pagal dydį atitinkantis dešimtis centimetrų varyje arba geležyje.

Su silpna situacija yra kitokia sąveikos. Kaip jau minėjome, vidutinis laisvas neutrinų kelias tankioje medžiagoje matuojamas astronominiais vienetais. Tai rodo stebėtinai mažą silpnos sąveikos intensyvumą.

Bet koks procesas sąveika elementarus dalelių būdingas tam tikras laikas, lemiantis jo vidutinę trukmę. Procesai, kuriuos sukelia silpnumas sąveikos, dažnai vadinami „lėtaisiais“, nes jiems skirtas laikas yra gana ilgas.

Tačiau skaitytojas gali nustebti, kad reiškinys, vykstantis, tarkime, per 10–6 (viena milijoninė dalis) sekundės, yra klasifikuojamas kaip lėtas. Šis gyvavimo laikas būdingas, pavyzdžiui, miuono irimui, kurį sukelia silpnas sąveikos. Bet viskas išmokstama lyginant. pasaulyje elementarus dalelių toks laikotarpis iš tiesų yra gana ilgas. Natūralus ilgio vienetas mikrokosmose yra 10-13 centimetrų – branduolinių jėgų veikimo spindulys. Ir nuo pradinukų dalelių didelės energijos greitis yra artimas šviesos greičiui (apie 1010 centimetrų per sekundę), tada „įprasta“ laiko skalė jiems bus 10–23 sekundės.

Tai reiškia, kad 10-6 sekundžių laikas mikropasaulio „piliečiams“ yra daug ilgesnis nei jums ir man visą gyvybės Žemėje laikotarpį.

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 fundamentalios 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 yra labai koncentruota 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 lėtai mažėja, 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, kad tarp jų būtų patrauklios jėgos, viršijančios 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.