Надо Знать

добавить знаний



Слабое взаимодействие



План:


Введение

Слабое взаимодействие - одна из четырех фундаментальных физических взаимодействий между элементарными частицами наряду с гравитационной, электромагнитной и сильным взаимодействием. Известным ее проявлением является бета-распад и связанная с ним радиоактивность. Взаимодействие названа слабой, поскольку напряженность соответствующего ей поля в 13 октября меньше, чем у полей, удерживающих вместе ядерные частицы ( нуклоны и кварки) и в 10 10 меньше кулоновского на этих масштабах, однако значительно сильнее чем гравитационная. Взаимодействие имеет короткий радиус действия и проявляется на расстояниях порядка размера атомного ядра. Считается, что она характерна для кварков и лептонов, включая нейтрино. Частицами-переносчиками слабого взаимодействия является W-и Z-бозоны - очень массивные элементарные частицы с массами порядка десятков масс протона.

Первую теорию слабого взаимодействия предложил Энрико Ферми в 1930. При разработке теории он использовал гипотезу Вольфганга Паули о существовании новой на то время элементарной частицы нейтрино.


1. Характерное время и интенсивность процессов

Слабое взаимодействие описывает те процессы ядерной физики и физики элементарных частиц, которые происходят относительно медленно, в противовес быстрым процессам, обусловленным сильным взаимодействием. Например, период полураспада нейтрона составляет примерно 16 мин. - Вечность по сравнению с ядерными процессами, для которых характерен время составляет 10 -23 с.

Для сравнения заряженные пионы π ? распадаются через слабое взаимодействие и имеют время жизни 2.6033 ? 0.0005 ? 10 -8 c, тогда как нейтральный пион π 0 распадается на два гамма-кванты через электромагнитное взаимодействие и имеет время жизни 8.4 ? 0.6 ? 10 -17 c.

Другая характеристика взаимодействия - длина свободного пробега частиц в веществе. Частицы, которые взаимодействуют через электромагнитное взаимодействие - заряженные частицы, гамма-кванты, можно задержать железной плитой толщиной в несколько десятков сантиметров. Тогда как нейтрино, взаимодействующего лишь слабо, проходит, не столкнувшись ни разу, через слой металла толщиной миллиард километров.


2. Частицы, способные к слабого взаимодействия

В слабом взаимодействии участвуют кварки и лептоны, в том числе нейтрино. При этом изменяется аромат частиц, т.е. их тип. Например, в результате распада нейтрона один из его d-кварков превращается в u-кварк. Нейтрино уникальны тем, которые взаимодействуют с другими частицами только из-за слабой, и еще слабую гравитационное взаимодействие.

По современным представлениям, сформулированными в Стандартной модели, слабое взаимодействие переносится калибровочными W- и Z- бозонами, которые были обнаружены на ускорителях в 1982. Их массы составляют 80 и 90 масс протона. Обмен виртуальными W-бозонами называют заряженным током, обмен Z-бозонами - нейтральным током.

Вершины диаграмм Фейнмана, описывающие возможные процессы с участием калибровочных W-и Z-бозонов можно разделить на три типа:

  1. лептон может випроминиты или поглотить W-бозон, и превратиться в нейтрино;
  2. кварк может випроминиты или поглотить W-бозон, и изменить свой ​​аромат, превратившись в суперпозицию других кварков;
  3. лептон или кварк может поглотить или випроминиты Z-бозон

Способность частицы к слабого взаимодействия описывается квантовым числом, что называется слабый изоспин. Возможные значения изоспину для частиц, которые могут обмениваться W и Z бозонами, ? 1/2 . Именно эти частицы взаимодействуют через слабое взаимодействие. Не взаимодействуют из-за слабой взаемоидию частицы с нулевым слабым изоспином, для которых процессы обмена W и Z бозонами невозможны. Слабый изоспин сохраняется в реакциях между элементарными частицами. Это означает, что суммарный слабый изоспин всех частиц, участвующих в реакции, остается неизменным, хотя типы частиц могут при этом меняться.


3. Нарушение четности

Особенностью слабого взаимодействия является то, что она нарушает четность, поскольку способность к слабого взаимодействия через заряженные токи имеют только фермионы с левой Хиральность и античастицы фермионов с правой хиральности. Несохранения четности в слабом взаимодействии открыли Янг Чженьнин и Ли Цзундао, за что получили Нобелевскую премию по физике за 1957 год. Причину несохранения четности видят в спонтанном нарушении симметрии. В рамках Стандартной модели за нарушение симметрии соответствует гипотетическая частица - бозон Хиггса. Это единственная частица стандарный модели, которая еще не была обнаружена экспериментально.

При слабом взаимодействии нарушается также CP симметрия. Это нарушение было обнаружено экспериментально в 1964 году в экспериментах с каона. Авторы открытия Джеймс Кронин и Вал Фитч награждены Нобелевской премией по 1980. Несохранения CP-симметрии происходит гораздо реже, чем нарушение четности. Оно означает также, поскольку сохранение CPT-симметрия опирается на фундаментральни физические принципы - преобразования Лоренца и близкодействия, возможность нарушения T-симметрии, т.е. неинвариантнисть физических процессов по изменению направления времени.


4. Электрослабого взаимодействия

В 1969 была построена единая теория электромагнитного и слабого ядерного взаимодействия, согласно которой при энергиях советов 100 г эВ, что соответствует температуре 15 октября К разница между электромагнитными и слабыми процессами исчезает. Экспериментальная проверка единой теории электрослабого и сильного ядерного взаимодействия требует увеличения энергии ускорителей в сто миллиардов раз.

Теория электрослабого взаимодействия построена на основе группы симметрии SU (2).


5. Значение для эволюции звезд

Несмотря на малую величину и короткодию, слабое взаимодействие выполняет очень важную роль в природе. Если бы удалось "выключить" слабое взаимодействие, то Солнце погасло бы, поскольку стало бы невозможным процесс преобразования протона в нейтрон, позитрон и нейтрино, в результате которого 4 протоны превращаются в 4 He, два позитроны и два нейтрино. Этот процесс служит основным источником энергии для Солнца и большинства звезд (см. Водородный цикл). Процессы слабого взаимодействия важны для эволюции звезд, поскольку они обусловливают потери энергии очень горячих звезд во взрывах сверхновых с образованием пульсаров, и т.д. Если бы не было слабого взаимодействия в природе были бы стабильны и широко распространены в обычной веществе мюоны, пи-мезоны и другие частицы. Столь важная роль слабого взаимодействия повязна с тем, что она не подчиняется ряду запретов, характерных для сильного и елетромагнитнои взаимодействий. В частности, слабое взаимодействие превращает заряженные лептоны в нейтрино, а кварки одного аромата - в кварки другого.


Источники

  • Каденко И. М., Плюйко В. А. Физика атомного ядра и частиц. - К. : ИПЦ "Киевский университет", 2008. - 414 с.
  • Физическая энциклопедия / Под ред. А. М. Прохорова. - М. : Большая российская энциклопедия, 1994. - Т. 4. - 704 с.
  • Гротц К., Клапдор-Клайнгротхаус Г.В. Слабое взаимодействие в физике ядра, частиц и астрофизики. - М. : Мир, 1992. - 456 с.
  • Фрауэнфельдер Г., Хенли Э.. Субатомная физика. - М. : Мир, 1979. - 736 с.
  • Широков Ю. М., Юдин Н. П. Ядерная физика. - М. : Наука, 1980. - 748 с.
  • Bromley DA Gauge Theory of Weak Interactions. - Springer, 2000. - ISBN 3-540-67672-4


Фундаментальные взаимодействия
Гравитация | Электромагнитное взаимодействие | Слабое взаимодействие | Сильное взаимодействие


код для вставки
Данный текст может содержать ошибки.

скачать

© Надо Знать
написать нам