Слабое взаимодействие

Слабое взаимодействие, или слабое ядерное взаимодействие — одно из четырёх фундаментальных взаимодействий в природе. Оно ответственно, в частности, за бета-распад ядра. Это взаимодействие называется слабым, поскольку два других взаимодействия, значимые для ядерной физики (сильное и электромагнитное), характеризуются значительно большей интенсивностью. Однако оно значительно сильнее четвёртого из фундаментальных взаимодействий, гравитационного. Слабое взаимодействие является короткодействующим — оно проявляется на расстояниях, значительно меньших размера атомного ядра (характерный радиус взаимодействия 10⁻¹⁸ м^[1]). Стандартная модель физики элементарных частиц описывает электромагнитное взаимодействие и слабое взаимодействие как разные проявления единого электрослабого взаимодействия, теорию которого разработали около 1968 года Глэшоу, Салам и Вайнберг. За эту работу они получили Нобелевскую премию по физике за 1979 год.

Слабое взаимодействие

Это третье фундаментальное взаимодействие, действующее только в микромире. Оно ответственно за превращение  элементарных частиц друг в друга  и играет очень важную роль не только в микромире, но и во многих явлениях космического масштаба. Благодаря слабому  взаимодействию происходят термоядерные реакции, без которых погасло  бы Солнце и большин-ство звезд.

Первая теория слабого взаимодействия (четырехфермионная теория) была создана еще  
в 1934 г. Э. Ферми. В ней утверждалось, что слабое взаимодействие между частицами происходит контактно, посредством так называемых слабых токов, а не через обмен квантами поля. Благодаря этим токам нейтроны могли превращаться в протоны, кварки одного вида – в кварки другого вида.

Уже в конце 50-х годов стало  ясно, что данная теория несовершенна, поскольку сфера ее применения ограничивается только малыми энергиями частиц, участвующих  во взаимодействии. Кроме того, теория резко контрастировала с господствующей картиной мира и не отвечала требо-ваниям единообразия в описании всех физических взаимодействий.

Поэтому в 60-х годах независимо друг от друга С. Вайнберг и А. Солам решили, что трудно-сти теории удастся преодолеть, если допустить, что слабое и электромагнитное взаимодействия – это разные проявления одного взаимодействия наподобие того, как электричество и магнетизм – два проявления единой сущности. Так появилась единая теория электрослабого взаимодействия, в рамках которой удалось построить модель слабого взаимодействия.

Объединение электромагнитного и  слабого взаимодействия стало главным  триумфом теоретической физики за последние  три десятилетия XX в. Единая теория электрослабого взаимодействия успешно описывает все процессы, происходящие при энергиях от долей электрон-вольта до сотен гигаэлектрон-вольт. Вместе теория электрослабого взаимодействия и квантовая хромодинамика (теория сильного взаимодействия) получили название Стандартной модели. Ее основные положения согласуются с результатами большинства экспериментов.

Свойства

В слабом взаимодействии участвуют  все фундаментальные фермионы (лептоны и кварки). Это единственное взаимодействие, в котором участвуют нейтрино (не считая гравитации, пренебрежимо малой в лабораторных условиях), чем объясняется колоссальная проникающая способность этих частиц. Слабое взаимодействие позволяет лептонам, кваркам и их античастицам обмениваться энергией, массой, электрическим зарядом и квантовыми числами — то есть превращаться друг в друга.

Первая теория Ферми описывала  слабое взаимодействие как контактное взаимодействие между четырьмя фермионами, но была неперенормируемой. Сегодня известно, что переносчиками слабого взаимодействия являются виртуальные W- и Z-бозоны. Поскольку их масса составляет около 90 ГэВ/c², радиус действия слабых сил, согласно принципу неопределенности, ограничен величиной 10⁻¹⁸ м, что примерно в 1000 раз меньше диаметра атомного ядра.

Долгое время считалось, что законы природы симметричны  относительно зеркального отражения, то есть результат любого эксперимента должен быть таким же, как результат эксперимента, проведенного на зеркально-симметричной установке. Эта симметрия относительно пространственной инверсии связана с законом сохранения чётности. Однако в середине 1950-х Янг Чжэньнин и Ли Цзундао предположили, что слабое взаимодействие может не подчиняться этому закону. В 1957 году Ву Цзяньсун и сотрудники подтвердили это предсказание, что принесло Янгу и Ли Нобелевскую премию по физике за 1957 год. В 1957 году Маршак и Сударшан и, несколько позже, Фейнман и Гелл-Манн предложили лагранжиан для слабого взаимодействия.

Об интенсивности взаимодействий можно судить по скорости процессов, к-рые оно вызывает. Обычно сравнивают между собой скорости процессов при энергиях гигаэлектронвольт, 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 чрезвычайно медленно.

Типичный пример слабого  взаимодействия -- превращение нейтрона в протон с испусканием электрона и антинейтрино :

Взаимодействие называется слабым из-за малой скорости распада. Время жизни свободного нейтрона порядка 10 мин. Выше мы рассматривали  реакции с характерными временами  с для чисто ядерного взаимодействия и с участием электромагнитного взаимодействия, т.е. с испусканием -квантов.

Подчеркнем, что при слабых взаимодействиях, как и при электромагнитных, реакции идут с рождением новых  частиц, т.е. число частиц не сохраняется. Ни в коем случае нельзя считать, что  и ``сидят'' в нейтроне, что нейтрон есть связанная система из протона и электрона. Нейтрон так же элементарен, как и протон^5.2. Частицы действительно рождаются. Здесь можно провести аналогию со звуком: коснемся струны -- рождаются фононы.

Лепто́ны (греч. λεπτός — лёгкий) — фундаментальные частицы с полуцелым спином, не участвующие в сильном взаимодействии. Наряду с кварками и калибровочными бозонами, лептоны составляют неотъемлемую часть Стандартной модели.

Спин (от англ. spin — вертеть[-ся], вращение) — собственный момент импульса элементарных частиц, имеющий квантовую природу и не связанный с перемещением частицы как целого. Спином называют также собственный момент импульса атомного ядра или атома; в этом случае спин определяется как векторная сумма (вычисленная по правилам сложения моментов в квантовой механике) спинов элементарных частиц, образующих систему, и орбитальных моментов этих частиц, обусловленных их движением внутри системы.

Ква́рк — фундаментальная частица в Стандартной модели, обладающая электрическим зарядом, кратным e/3, и не наблюдающаяся в свободном состоянии.