Приглашаем посетить сайт

Физическая энциклопедия. В 5-ти томах
СЛАБОЕ ВЗАИМОДЕЙСТВИЕ

СЛАБОЕ ВЗАИМОДЕЙСТВИЕ

СЛАБОЕ ВЗАИМОДЕЙСТВИЕ - одно из четырёх известных фундам. взаимодействий между элементарными частицами. С. в. значительно слабее сильного иэл.-магн. взаимодействий, но гораздо сильнее гравитационного. В 80-х гг. <установлено, что слабое и эл.-магн. взаимодействия - разл. проявления единого электрослабого взаимодействия.

Об интенсивности взаимодействий можно судить по скорости процессов, <к-рые оно вызывает. Обычно сравнивают между собой скорости процессов приэнергиях ГэВ, характерных для физики элементарных частиц. При таких энергиях процесс, <обусловленный сильным взаимодействием, происходит за время с, эл.-магн. процесс за время с, <характерное же время процессов, происходящих за счёт С. в. (слабых процессов),гораздо больше:с, <так что в мире элементарных частиц слабые процессы протекают чрезвычайномедленно.

Другая характеристика взаимодействия - длина свободного пробега частицыв веществе. Сильно взаимодействующие частицы (адроны) можно задержать железнойплитой толщиной в неск. десятков см, тогда как нейтрино, обладающее лишьС. в., проходило бы, не испытав ни одного столкновения, через железнуюплиту толщиной порядка миллиарда км. Ещё более слабым является гравитац. <взаимодействие, сила к-рого при энергии ~1 ГэВ в 10³³ раз меньше, <чем у С. в. Однако обычно роль гравитац. взаимодействия гораздо заметнеероли С. в. Это связано с тем, что гравитац. взаимодействие, как и электромагнитное, <имеет бесконечно большой радиус действия; поэтому, напр., на тела, находящиесяна поверхности Земли, действует гравитац. притяжение всех атомов, из к-рыхсостоит Земля. Слабое же взаимодействие обладает очень малым радиусом действия:ок. 2*10^-16 см (что на три порядка меньше радиуса сильного взаимодействия).Вследствие этого, напр., С. в. между ядрами двух соседних атомов, находящихсяна расстоянии 10^-8 см, ничтожно мало, несравненно слабее нетолько электромагнитного, но и гравитац. взаимодействий между ними.

Однако, несмотря на малую величину и короткодействие, С. в. играет оченьважную роль в природе. Так, если бы удалось «выключить» С. в., то погаслобы Солнце, поскольку был бы невозможен процесс превращения протона в нейтрон, <позитрон и нейтрино, в результате к-рого четыре протона превращаются в ⁴ Не, два позитрона и два нейтрино. Этот процесс служит осн. <источником энергии Солнца и большинства звёзд (см. Водородный цикл). Процессы С. в. с испусканием нейтрино вообще исключительно важны в эволюции звёзд, т. к. обусловливают потери энергии очень горячимизвёздами, во взрывах сверхновых звёзд с образованием пульсаров и т. д. <Если бы не было С. в., были бы стабильны и широко распространены в обычномвеществе мюоны, -мезоны, <странные и очарованные частицы, к-рые распадаются в результате С. в. Стольбольшая роль С. Е. связана с тем, что оно не подчиняется ряду запретов, <характерных для сильного и эл.-магн. взаимодействий. В частности, С. в. <превращает заряженные лептоны в нейтрино, а кварки одного типа (аромата)в кварки др. типов.

Интенсивность слабых процессов быстро растёт с ростом энергии. Так, бета-распад нейтрона, энерговыделение в к-ром мало (~1 МэВ), длитсяок. 10³ с, что в 10¹³ раз больше, чем время жизни -гиперона, <энерговыделение при распаде к-рого составляет ~100 МэВ. Сечение взаимодействияс нуклонами для нейтрино с энергией ~100 ГэВ прибл. в миллион раз больше, <чем для нейтрино с энергией ~1 МэВ. По теоретич. представлениям, рост сеченияпродлится до энергий порядка неск. сотен ГэВ (в системе центра инерциисталкивающихся частиц). При этих энергиях и при больших передачах импульсовпроявляются эффекты, связанные с существованием промежуточных векторныхбозонов . На расстояниях между сталкивающимися частицами, много меньших 2*10^-16 см (комптоновской длины волны промежуточных бозонов), С. в. и эл.-магн. <взаимодействия имеют практически одинаковую интенсивность.

Наиб. распространённый процесс, обусловленный С. в.,- бета-распад радиоактивных атомных ядер. В 1934 Э. Ферми (Е. Fermi) построил теорию -распада, <к-рая с нек-рыми существ. модификациями легла в основу последующей теориит. н. универсального локального четырёхфермионного С. в. (взаимодействияФерми). Согласно теории Ферми, электрон и нейтрино (точнее, антинейтрино),вылетающие из -радиоактивногоядра, не находились в нём до этого, а возникли в момент распада. Это явлениеаналогично испусканию фотонов низкой энергии (видимого света) возбуждённымиатомами или фотонов высокой энергии ( -квантов)возбуждёнными ядрами. Причиной таких процессов является взаимодействиеэлектрич. зарядов частиц с эл.-магн. полем: движущаяся заряженная частицасоздаёт электромагнитный ток, к-рый возмущает эл.-магн. поле; в результатевзаимодействия частица передаёт энергию квантам этого поля - фотонам. Взаимодействиефотонов с эл.-магн. током описывается выражением А. Здесь е - элементарный электрич. заряд, являющийся константойэл.-магн. взаимодействия (см. Константа взаимодействия), А - операторфотонного поля (т. е. оператор рождения и уничтожения фотона), j _эм- оператор плотности эл.-магн. тока. (Часто в выражение для эл.-магн. токавключают также множитель е. )В j _эм дают вклад все заряж. <частицы. Напр., слагаемое, отвечающее электрону, имеет вид:,где - операторуничтожения электрона или рождения позитрона, а -оператор рождения электрона или уничтожения позитрона. [Выше для упрощенияне показано, что j _эм, так же как А, является четырёхмернымвектором. Более точно, вместо следует писать совокупность четырёх выражений где - Дирака матрицы,= 0, 1, 2, 3. Каждое из этих выражений умножается на соответствующуюкомпоненту четырёхмерного вектора .]

Взаимодействие описывает не только испускание и поглощение фотонов электронами и позитронами, <но и такие процессы, как рождение фотонами электрон-позитронных пар (см.Рождение пар )или аннигиляция этих пар в фотоны. Обмен фотономмежду двумя заряж. частицами приводит к взаимодействию их друг с другом. <В результате возникает, напр., рассеяние электрона протоном, к-рое схематическиизображается Фейнмана диаграммой, представленной на рис. 1. Припереходе протона в ядре с одного уровня на другой это же взаимодействиеможет привести к рождению электрон-позитронной пары (рис. 2).

Теория -распадаФерми по существу аналогична теории эл.-магн. процессов. Ферми положилв основу теории взаимодействие двух «слабых токов» (см. Ток в квантовойтеории поля), но взаимодействующих между собой не на расстоянии путём обменачастицей - квантом поля (фотоном в случае эл.-магн. взаимодействия), аконтактно. Это взаимодействие между четырьмя фермионными полями (четырьмяфермионами р, п, е и нейтрино v) в совр. обозначениях имеет вид:. Здесь G_F - константа Ферми, или константа слаоого четырёхфермионноговзаимодействия, эксперим. значение к-рой эрг*см ³ (величина имеет размерность квадрата длины, и в единицах константа ,где М - масса протона), -оператор рождения протона (уничтожения антипротона), -оператор уничтожения нейтрона (рождения антинейтрона), -оператор рождения электрона (уничтожения позитрона), v -оператор уничтожения нейтрино (рождения антинейтрино). (Здесь и в дальнейшемоператоры рождения и уничтожения частиц обозначены символами соответствующихчастиц, набранными полужирным шрифтом.) Ток ,переводящий нейтрон в протон, получил впоследствии название нуклонного, <а ток - лептонного. Ферми постулировал, что, подобно эл.-магн. току, слабые токитакже являются четырёхмерными векторами:Поэтому взаимодействие Ферми наз. векторным.

Подобно рождению электрон-позитронной пары (рис. 2), -распаднейтрона может быть описан похожей диаграммой (рис. 3) [античастицы помеченызначком «тильда»надсимволами соответствующих частиц]. Взаимодействие лептонного и нуклонноготоков должно приводить и к др. процессам, напр. к реакции (рис. 4), к аннигиляции пар (рис. 5) и и т. д.

Существ. отличием слабых токов и от электромагнитногоявляется то, что слабый ток меняет заряд частиц, в то время как эл.-магн. <ток не меняет: слабый ток превращает нейтрон в протон, электрон в нейтрино, <а электромагнитный оставляет протон протоном, а электрон электроном. Поэтомуслабые токи иev наз. заряженными токами. Согласно такой термин логии, обычныйэл.-магн. ток ее является нейтральным током.

Теория Ферми опиралась на результаты исследований в трёх разл. областях:1) эксперим. исследования собственно С. в. ( -распад),приведшие к гипотезе о существовании нейтрино; 2) эксперим. исследованиясильного взаимодействия (ядерные реакции), приведшие к открытию протонови нейтронов и к пониманию того, что ядра состоят из этих частиц; 3) эксперим. <и теоретич. исследования эл.-магн. взаимодействия, в результате к-рых билзаложен фундамент квантовой теории поля. Дальнейшее развитие физики элементарныхчастиц неоднократно подтверждало плодотворную взаимозависимость исследованийсильного, слабого и эл.-магн. взаимодействий.

Теория универсального четырёхфермионного С. в. отличается от теорииФерми в ряде существ, пунктов. Эти отличия, установленные за последующиегоды в результате изучения элементарных частиц, свелись к следующему.

Слабые токи, к-рые у Ферми были векторными, представляют собой сумму векторного тока V и аксиального тока А. При преобразованияхЛоренца токи V и А ведут себя одинаково, подобно обычнымчетырёхмерным векторам. Однако при зеркальных отражениях ( пространственнойинверсии )их поведение различно, т. к. они обладают различной пространственной чётностью Р. В результате слабый ток не обладает определённой чётностью. <Это его свойство отражает несохранение чётности в С. в. Токи V и А отличаются также зарядовой чётностью С.

Гипотеза о том, что С. в. не сохраняет чётность, была выдвинута Ли Цзундао(Lee Tsung-Dao) и Янг Чженьнином (Yang Chen Ning) в 1956 при теоретич. <исследовании распадов К-мезонов; вскоре несохранение Р- иС-чётностей было обнаружено экспериментально в -распадеядер [ By Цзяньсун (Wu Chien-Shiung) с сотрудниками], в распаде мюона [Р. <Гарвин (R. Garwin), Л. Ледерман (L. Lederman), В. Телегди (V. Telegdi),Дж. Фридман (J. Friedman) и др.] и в распадах др. частиц.

Обобщая огромный эксперим. материал, М. Гелл-Ман (М. Gell-Mann), P.Фейнман (R. Feynman), P. Маршак (R. Marshak) и Э. Сударшан (Е. Sudarshan)в 1957 предложили теорию универсального С. в.- т. н. V - А- теорию. <В формулировке, основанной на кварковой структуре адронов, эта теория заключаетсяв том, что полный слабый заряженный ток j_u является суммой лептонныхи кварковых токов, причём каждый из этих элементарных токов содержит однуи ту же комбинацию дираковских матриц:

Как выяснилось впоследствии, заряж. лептонный ток, представленный втеории Ферми одним членом ,является суммой трёх слагаемых:причём каждый из известных заряж. лептонов (электрон, мюон и тяжёлыйлептон )входитв заряж. ток со своим нейтрино.

Заряж. адронный ток, представленный в теории Ферми членом , являетсясуммой кварковых токов. К 1992 известно пятьтипов кварков [d, s, b с электрич. зарядом (в единицах е) Q =-¹/₃ и и, с с Q =+²/₃],из к-рых построены все известные адроны, и предполагается существованиешестого кварка (t с Q =+²/₃). Заряженныекварковые токи, так же как и лептонные токи, обычно записывают в виде суммытрёх слагаемых:

Однако здесь являются линейными комбинациями операторов d, s, b, так чтокварковый заряженный ток состоит из девяти слагаемых. Каждый из токов является суммой векторного и аксиального токов с коэффициентами, равнымиединице.

Коэффициенты девяти заряженных кварковых токов обычно представляют ввиде матрицы 3x3, к-рая параметризуется тремя углами и фазовым множителем, <характеризующим нарушение СР-инвариантности в слабых распадах. Этаматрица получила назв. матрицы Кобаяши - Маскавы (М. Kobayashi, T. Maskawa).

Лагранжиан С. в. заряженных токов имеет вид:

Еде -ток, сопряжённый и т. д.). Такое взаимодействие заряженных токов количественно описываетогромное число слабых процессов: лептонных , полулептонных (и т. д.) и нелептонных (,,и т. д.). Многие из этих процессов были открыты после 1957. За этот периодбыли открыты также два принципиально новых явления: нарушение СР-инвариантностии нейтральные токи.

Нарушение СР-инвариантности было обнаружено в 1964 в эксперименте Дж. <Кристепсона (J. Christenson), Дж. Кронина (J. Cronin), В. Фитча (V. Fitch)и Р. Тёрли (R. Turley), к-рые наблюдали распад долгоживущих К°-мезонов на два -мезона. <Позднее нарушение СР-инвариантности наблюдалось также в полулептонных распадах .Для выяснения природы СР-неинвариантного взаимодействия было бы крайневажным найти к.-л. СР-неинвариантный процесс в распадах или взаимодействияхдр. частиц. В частности, большой интерес представляют поиски дипольногомомента нейтрона (наличие к-рого означало бы нарушение инвариантности относительно обращения времени, а следовательно, согласно теореме СРТ, иСР-инвариантности).

Существование нейтральных токов было предсказано единой теорией слабогои эл.-магн. взаимодействий, созданной в 60-х гг. Ш. Глэшоу (Sh. Glashow),С. Вайнбергом (S. Weinberg), А. Саламом (A. Salam) и др. и позднее получившейназв. стандартной теории электрослабого взаимодействия. Согласно этой теории, <С. в. не является контактным взаимодействием токов, а происходит путёмобмена промежуточными векторными бозонами (W⁺, W^-,Z⁰)- массивными частицами со спином 1. При этом -бозоныосуществляют взаимодействие заряж. токов (рис. 6), а Z⁰ -бозоны- нейтральных (рис. 7). В стандартной теории три промежуточных бозона ифотон являются квантами векторных, т. н. калибровочных полей, выступающимипри асимптотически больших передачах четырёхмерного импульса (, m_z, где m_w, m_z - массы W- и Z-бозонов в энергетич. единицах) совершенно равноправно. Нейтральныетоки были обнаружены в 1973 во взаимодействии нейтрино и антинейтрино снуклонами. Позднее были найдены процессы рассеяния мюонного нейтрино наэлектроне, а также эффекты несохранения чётности во взаимодействии электроновс нуклонами, обусловленные электронным нейтральным током (эти эффекты впервые наблюдались в опытах по несохранению чётности приатомных переходах, проведённых в Новосибирске Л. М. Барковым и М. С. Золоторёвым, <а также в экспериментах по рассеянию электронов на протонах и дейтронахв США).

Взаимодействие нейтральных токов описывается соответствующим членомв лагранжиане С. в.:

где - безразмерный параметр. В стандартной теории (эксперим. значение р совпадает с 1 в пределах одного процента эксперим. <точности и точности расчёта радиационных поправок). Полный слабыйнейтральный ток содержит вклады всех лептонов и всех кварков:

Очень важным свойством нейтральных токов является то, что они диагональны, <т. е. переводят лептоны (и кварки) самих в себя, а не в др. лептоны (кварки),как в случае заряженных токов. Каждый из 12 кварковых и лептонных нейтральныхтоков представляет собой линейную комбинацию аксиального тока с коэф. I₃ и векторного тока с коэф., где I₃ - третья проекция т. н. слабого изотопическогоспина, Q - заряд частицы, а - Вайнберга угол.

Необходимость существования четырёх векторных полей промежуточных бозонов W⁺, W^-, Z⁰ и фотона . можно пояснить след. образом. Как известно, в эл.-магн. взаимодействииэлектрич. заряд играет двойную роль: с одной стороны, он является сохраняющейсявеличиной, а с другой - источником эл.-магн. поля, осуществляющего взаимодействиемежду заряженными частицами (константа взаимодействия е). Такаяроль электрич. заряда обеспечивается калибровочной симметрией, заключающейсяв том, что ур-ния теории не меняются, когда волновые ф-ции заряженных частицумножаются на произвольный фазовый множитель , зависящий от пространственно-временной точки [локальная симметрияU(1)], и при этом эл.-магн. поле, являющееся калибровочным, <подвергается преобразованию . Преобразования локальной группы U(1 )с одним типом заряда и однимкалибровочным полем коммутируют друг с другом (такая группа наз. абелевой).Указанное свойство электрич. заряда послужило исходным пунктом для построениятеорий и др. типов взаимодействий. В этих теориях сохраняющиеся величины(напр., изотопич. спин) являются одновременно источниками нек-рых калибровочныхполей, переносящих взаимодействие между частицами. В случае неск. типов«зарядов» (напр., разл. проекций изотопич. спина), когда отд. преобразованияне коммутируют друг с другом (неабелева группа преобразований), оказываетсянеобходимым введение неск. калибровочных полей. (Мультиплеты калибровочныхполей, отвечающих локальным неабелевым симметриям, наз. Янга - Миллсаполями. )В частности, чтобы изотопич. спин [к-рому отвечает локальнаягруппа SU(2)] выступал в качестве константы взаимодействия, необходимытри калибровочных поля с зарядами 1и 0. Т. к. в С. в. участвуют заряженные токи пар частиц и т. д., то полагают, что эти пары являются дублетами группы слабого изоспина, <т. е. группы SU(2). Инвариантность теории относительно локальныхпреобразований группы SU(2) требует, как отмечалось, существованиятриплета безмассовых калибровочных полей W⁺, W^-,W⁰, источником к-рых является слабый изоспин (константавзаимодействия g). По аналогии с сильным взаимодействием, в к-ром гиперзаряд Y частицы, входящей в изотопич. мультиплет, определяетсяф-лой Q= I₃ + Y/2 (где I₃- третья проекция изоспина, a Q - электрич. заряд), наряду со слабымизоспином вводят слабый гиперзаряд. Тогда сохранению электрич. заряда ислабого изоспина отвечает сохранение слабого гиперзаряда [группа [U(1)].Слабый гиперзаряд является источником нейтрального калибровочного поля В ⁰ (константа взаимодействия g'). Две взаимноортогональные линейные суперпозиции полей В° и W° описываютполе фотона А и поле Z-бозона:

где . Именно величина угла определяет структуру нейтральных токов. Она же определяет связь между константой g, характеризующей взаимодействие -бозоновсо слабым током, и константой е, характеризующей взаимодействиефотона с электрич. током:

Для того чтобы С. в. носило короткодействующий характер, промежуточныебозоны должны быть массивными, в то время как кванты исходных калибровочныхполей -- безмассовые. Согласно стандартной теории, возникновение массы у промежуточныхбозонов происходит при спонтанном нарушении симметрии SU(2) X U(1 )до U(1) _эм. При этом одна из суперпозиций полей В ⁰ и W⁰ - фотон ( А) остаётся безмассовой, а -и Z-бозоны приобретают массы:

Эксперим. данные по нейтральным токам давали . Этому отвечали ожидаемые массы W- и Z-бозонов соответственно и

Для обнаружения W- и Z-бозонов созданы спец. установки, в к-рыхэти бозоны рождаются при столкновениях встречных пучков и высокой энергии. Первая -установкавступила в строй в 1981 в ЦЕРНе. В 1983 появились сообщения о детектированиив ЦЕРНе первых случаев рождения промежуточных векторных бозонов. В 1989были опубликованы данные о рождении W- и Z- бозонов на американскомпротон-антипротонном коллайдере - Тэватроне, в Фермиевской национальнойускорительной лаборатории (FNAL). К кон. 1980-х гг. полное число W- и Z-бозонов, наблюдавшихся на протон-антипротонных коллайдерах в ЦЕРНеи FNAL, исчислялось сотнями.

В 1989 заработали электрон-позитроиные коллайдеры LEP в ЦЕРНе и SLCв Стэнфордском линейном ускорительном центре (SLAC). Особенно успешнойоказалась работа LEP, где к началу 1991 было зарегистрировано более полумиллионаслучаев рождения и распада Z-бозонов. Изучение распадов Z-бозонов показало, <что никаких других нейтрино, кроме известных ранее , в природе не существует. С высокой точностью была измерена масса Z-бозона: т _z =91,1730,020 ГэВ (масса W-бозона известна с существенно худшей точностью: m_w= 80,220,26ГэВ). Изучение свойств W- и Z-бозонов подтвердило правильность основной(калибровочной) идеи стандартной теории электрослабого взаимодействия. <Однако для проверки теории в полном объёме необходимо также экспериментальноисследовать механизм спонтанного нарушения симметрии. В рамках стандартнойтеории источником спонтанного нарушения симметрии является специальное изодублетное скалярное поле , обладающее специфич. самодействием ,где - безразмерная константа, а константа hимеет размерность массы .Минимум энергии взаимодействия достигается при ,и, т, о., низшее энергетич. состояние - вакуум - содержит ненулевое вакуумноезначение поля .Если этот механизм нарушения симметрии действительно осуществляется в природе, <то должны существовать элементарные скалярные бозоны - т. н. Хиггсабозон (кванты поля Хиггса). Стандартная теория предсказывает существованиекак минимум одного скалярного бозона (он должен быть нейтрален). В болеесложных вариантах теории имеется неск. таких частиц, причём нек-рые изних - заряженные (при этом возможно ).В отличие от промежуточных бозонов массы хиггсовых бозонов теорией не предсказываются.

Калибровочная теория электрослабого взаимодействия перенормируема: этоозначает, в частности, что амплитуды слабых и эл.-магн. процессов можновычислять по теории возмущений, причём высшие поправки малы, как в обычнойквантовой электродинамике (см. Перенормируемость). (В отличие отэтого четырёх-фермионная теория С. в. неперенормируема и не является внутренненепротиворечивой теорией.)

Существуют теоретич. модели Великого объединения, в к-рых какгруппа электрослабого взаимодействия, так и группа SU(3 )сильного взаимодействияявляются подгруппами единой группы, характеризующейся единой константойкалибровочного взаимодействия. В ещё более фундам. моделях эти взаимодействияобъединяются с гравитационными (т. н. суперобъединение).

Лит.: В у Ц. С., Мошковский С. А., Бета-распад, пер. с англ.,М., 1970; Вайнберг С., Единые теории взаимодействия элементарных частиц, <пер. с англ., «УФН», 1976, т. 118, в. 3, с. 505; Тейлор Д ж., Калибровочныетеории слабых взаимодействий, пер. с англ., М., 1978; На пути к единойтеории поля. Сб. ст., переводы, М., 1980; Окунь Л. Б., Лептоны и кварки,2 изд., М., 1990. Л. Б. Окунь.