Слабое взаимодействие

Диаграмма Фейнмана для бета-минус распада нейтрона на протон, электрон и электронное антинейтрино через промежуточный W⁻-бозон. Является примером заряженного тока.

Слабое взаимодействие — одно из четырех фундаментальных физических взаимодействий между элементарными частицами наряду с гравитационным, электромагнитным и сильным взаимодействием.

Взаимодействие названо слабым, поскольку напряженность соответствующего ей поля в 10¹³ меньше, чем у полей, удерживающих вместе ядерные частицы (нуклоны и кварки) и в 10¹⁰ меньше кулоновского на этих масштабах, однако значительно сильнее чем гравитационное.

Общая информация

Самым известным проявлением слабого взаимодействия является бета-распад и связанная с ним радиоактивность.

Взаимодействие имеет короткий радиус действия и проявляется на расстояниях порядка размера атомного ядра. Считается, что оно характерно для кварков и лептонов, включая нейтрино.

Частицами-переносчиками слабого взаимодействия является W^±- и Z⁰-бозоны — очень массивные элементарные частицы с массами порядка десятков масс протона.

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

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 характерное время составляет 10⁻²³ с.

Для сравнения заряженные пионы π^± распадаются из-за слабого взаимодействия и имеют время жизни 2.6033 ± 0.0005 × 10⁻⁸ c, тогда как нейтральный пион π⁰ распадается на два гамма-кванта из-за электромагнитного взаимодействия 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, которое взаимодействует только слабо, проходит, не столкнувшись ни разу, через слой металла толщиной миллиард километров.

Частицы, способные к слабому взаимодействию

В слабом взаимодействии участвуют кварки и лептоны, в том числе нейтрино. При этом изменяется аромат частиц, то есть их тип. Например, в результате распада нейтрона один из его d-кварков превращается в u-кварк.

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

Электрослабое взаимодействие

 → Электрослабое взаимодействие

В 1969 году была построена единая теория электромагнитного и слабого ядерного взаимодействия, согласно которой при энергиях объединения 100 ГэВ, что соответствует температуре 10¹⁵ 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).

Литература

• Гротц К., Клапдор-Клайнгротхаус Г.В. Слабое взаимодействие в физике ядра, частиц и астрофизике. — М.: Мир, 1992. — 456 с.
• Широков Ю. М., Юдин Н. П. Ядерная физика. — М.: Наука, 1980. — 748 с.
• Bromley D. A. Gauge Theory of Weak Interactions. — Springer, 2000. — ISBN 3-540-67672-4.