ЗАГАДКА ГОЛУБЫХ ЗВЕЗДВ огромном шаровом звездном скоплении Омега Центавра находятся самые необычные звезды во Вселенной – голубые, переполненные гелием. В прошлом году с помощью телескопа Хаббл ученые обнаружили, что в шаровом скоплении Омега Центавра наблюдаются красные и голубые звезды, сжигающие в своих недрах водород. Далее... |
слабое взаимодействие
СЛАБОЕ ВЗАИМОДЕЙСТВИЕ - одно из четырёх известных фундам. взаимодействий между элементарными частицами. С. в. значительно слабее сильного и эл--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 при
энергиях
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 чрезвычайно
медленно.
Другая характеристика взаимодействия - длина свободного пробега частицы в веществе. Сильно взаимодействующие частицы (адроны) можно задержать железной плитой толщиной в неск. десятков см, тогда как нейтрино, обладающее лишь С. в., проходило бы, не испытав ни одного столкновения, через железную плиту 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 заметнее роли С. в. Это связано с тем, что гравитац. взаимодействие, как и электромагнитное, имеет бесконечно большой радиус действия; поэтому, напр., на тела, находящиеся на поверхности Земли, действует гравитац. притяжение всех атомов, из к-рых состоит 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, находящихся на расстоянии 10-8 см, ничтожно мало, несравненно слабее не только электромагнитного, но и гравитац. взаимодействий между ними.
Однако, несмотря на малую величину и короткодействие, С. в. играет очень
важную роль в природе. Так, если бы удалось «выключить» С. в., то погасло
бы Солнце, поскольку был бы невозможен процесс превращения протона в нейтрон,
позитрон и нейтрино, в результате к-рого четыре протона превращаются в
4Не, 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 горячими
звёздами, во взрывах сверхновых звёзд с образованием пульсаров и т. д.
Если бы не было С. в., были бы стабильны и широко распространены в обычном
веществе мюоны,-мезоны,
странные и очарованные частицы, к-рые распадаются в результате С. в. Столь
большая 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), длится
ок. 103 с, что в 1013 раз больше, чем время жизни-гиперона,
энерговыделение при распаде к-рого составляет ~100 МэВ. Сечение взаимодействия
с нуклонами для нейтрино с энергией ~100 ГэВ прибл. в миллион раз больше,
чем для нейтрино с энергией ~1 МэВ. По теоретич. представлениям, рост сечения
продлится до энергий порядка неск. сотен ГэВ (в системе центра инерции
сталкивающихся частиц). При этих энергиях и при больших передачах импульсов
проявляются эффекты, связанные с существованием промежуточных векторных
бозонов
. 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 теории
т. н. универсального локального четырёхфермионного С. в. (взаимодействия
Ферми). Согласно теории Ферми, электрон и нейтрино (точнее, антинейтрино),
вылетающие из
-радиоактивного
ядра, не находились в нём до этого, а возникли в момент распада. Это явление
аналогично испусканию фотонов низкой энергии (видимого света) возбуждёнными
атомами или фотонов высокой энергии (
-квантов)
возбуждёнными ядрами. Причиной таких процессов является взаимодействие
электрич. зарядов частиц с эл--магн. полем: движущаяся заряженная частица
создаёт электромагнитный ток, к-рый возмущает эл--магн. поле; в результате
взаимодействия частица передаёт энергию квантам этого поля - фотонам. Взаимодействие
фотонов с эл--магн. током описывается выражением
А. Здесь е - элементарный электрич. заряд, являющийся константой
эл--магн. взаимодействия (см. Константа взаимодействия), А - оператор
фотонного поля (т. е. оператор рождения и уничтожения фотона), jэм
- оператор плотности эл--магн. тока. (Часто в выражение для эл--магн. тока
включают также множитель е.)В jэм дают вклад все заряж.
частицы. Напр., слагаемое, отвечающее электрону, имеет вид:
,
где
- оператор
уничтожения электрона или рождения позитрона, а
-
оператор рождения электрона или уничтожения позитрона. [Выше для упрощения
не показано, что jэм, так же как А, является четырёхмерным
вектором. Более точно, вместо
следует писать совокупность четырёх выражений
где
-
Дирака матрицы,
= 0, 1, 2, 3. Каждое из этих выражений умножается на соответствующую
компоненту 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 фотоном
между двумя заряж. частицами приводит к взаимодействию их друг с другом.
В результате возникает, напр., рассеяние электрона протоном, к-рое схематически
изображается Фейнмана диаграммой, представленной на рис. 1. При
переходе протона в ядре с одного уровня на другой это же взаимодействие
может привести к рождению электрон-позитронной пары (рис. 2).
Теория-распада
Ферми по существу аналогична теории эл--магн. процессов. Ферми положил
в основу теории взаимодействие двух «слабых токов» (см. Ток в квантовой
теории поля), но взаимодействующих между собой не на расстоянии путём обмена
частицей - квантом поля (фотоном в случае эл--магн. взаимодействия), а
контактно. Это взаимодействие между четырьмя фермионными полями (четырьмя
фермионами р, п, е и нейтрино v) в совр. обозначениях имеет вид:
. Здесь GF - константа Ферми, или константа слаоого четырёхфермионного
взаимодействия, эксперим. значение к-рой
эрг*см3 (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 дальнейшем
операторы рождения и уничтожения частиц обозначены символами соответствующих
частиц, набранными полужирным шрифтом.) Ток
,
переводящий нейтрон в протон, получил впоследствии название нуклонного,
а ток
- лептонного. Ферми постулировал, что, подобно эл--магн. току, слабые токи
также являются четырёхмерными векторами:
Поэтому взаимодействие Ферми наз. векторным.
Подобно рождению электрон-позитронной пары (рис. 2),-распад
нейтрона может быть описан похожей диаграммой (рис. 3) [античастицы помечены
значком «тильда»
над
символами соответствующих частиц]. Взаимодействие лептонного и нуклонного
токов 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 электромагнитного
является 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. Поэтому
слабые токи
и
ev наз. заряженными токами. Согласно такой термин логии, обычный
эл--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. исследования
сильного взаимодействия (ядерные реакции), приведшие к открытию протонов
и нейтронов и к пониманию того, что ядра состоят из этих частиц; 3) эксперим.
и теоретич. исследования эл--магн. взаимодействия, в результате к-рых бил
заложен фундамент квантовой теории поля. Дальнейшее развитие физики элементарных
частиц неоднократно подтверждало плодотворную взаимозависимость исследований
сильного, слабого и эл--магн. взаимодействий.
Теория универсального четырёхфермионного С. в. отличается от теории Ферми в ряде существ, пунктов. Эти отличия, установленные за последующие годы 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 преобразованиях Лоренца токи V и А ведут себя одинаково, подобно обычным четырёхмерным векторам. Однако при зеркальных отражениях (пространственной инверсии)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- и
С-чётностей было обнаружено экспериментально в-распаде
ядер [ 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 заключается
в том, что полный слабый заряженный ток ju является суммой лептонных
и кварковых токов, причём каждый из этих элементарных токов содержит одну
и ту же комбинацию дираковских матриц:
Как выяснилось впоследствии, заряж. лептонный ток, представленный в
теории Ферми одним членом,
является суммой трёх слагаемых:
причём каждый из известных заряж. лептонов (электрон, мюон и тяжёлый
лептон
)входит
в заряж. ток со своим нейтрино.
Заряж. адронный ток, представленный в теории Ферми членом , является
суммой кварковых токов. К 1992 известнопять
типов 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 существование
шестого кварка (t с Q = +2/3). Заряженные
кварковые токи, так же как и лептонные токи, обычно записывают в виде суммы
трёх слагаемых:
Однако здесь
являются линейными комбинациями операторов d, s, b, так что
кварковый заряженный ток состоит из девяти слагаемых. Каждый из токов
является суммой векторного и аксиального токов с коэффициентами, равными
единице.
Коэффициенты девяти заряженных кварковых токов обычно представляют в виде матрицы 3x3, к-рая параметризуется тремя углами и фазовым множителем, характеризующим нарушение СР-инвариантности в слабых распадах. Эта матрица 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 описывает
огромное число слабых процессов: лептонных
, полулептонных (
и т. д.) и нелептонных (
,
,
и т. д.). Многие из этих процессов были открыты после 1957. За этот период
были открыты также два принципиально новых явления: нарушение СР-инвариантности
и 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 крайне
важным найти к--л. СР-неинвариантный процесс в распадах или взаимодействиях
др. частиц. В частности, большой интерес представляют поиски дипольного
момента нейтрона (наличие к-рого означало бы нарушение инвариантности относительно
обращения времени, а следовательно, согласно теореме СРТ, и
СР-инвариантности).
Существование нейтральных токов было предсказано единой теорией слабого
и эл--магн. взаимодействий, созданной в 60-х гг. Ш. Глэшоу (Sh. Glashow),
С. Вайнбергом (S. Weinberg), А. Саламом (A. Salam) и др. и позднее получившей
назв. стандартной теории электрослабого взаимодействия. Согласно этой теории,
С. в. не является контактным взаимодействием токов, а происходит путём
обмена промежуточными векторными бозонами (W+, W-,
Z0)- массивными частицами со спином 1. При этом-бозоны
осуществляют взаимодействие заряж. токов (рис. 6), а Z0-бозоны
- нейтральных (рис. 7). В стандартной теории три промежуточных бозона и
фотон являются квантами векторных, т. н. калибровочных полей, выступающими
при асимптотически больших передачах четырёхмерного импульса (
, mz, где mw, mz - массы
W- и Z-бозонов в энергетич. единицах) совершенно равноправно. Нейтральные
токи были обнаружены в 1973 во взаимодействии нейтрино и антинейтрино с
нуклонами. Позднее были найдены процессы рассеяния мюонного нейтрино на
электроне, а также эффекты несохранения чётности во взаимодействии электронов
с нуклонами, обусловленные электронным нейтральным током
(эти эффекты впервые наблюдались в опытах по несохранению чётности при
атомных переходах, проведённых в Новосибирске Л. М. Барковым и М. С. Золоторёвым,
а также в экспериментах по рассеянию электронов на протонах и дейтронах
в США).
Взаимодействие нейтральных токов описывается соответствующим членом
в 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 слабый
нейтральный 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 нейтральных
токов представляет собой линейную комбинацию аксиального тока с коэф. I3 и векторного тока с коэф.
, где I3 - третья проекция т. н. слабого изотопического
спина, Q - заряд частицы, а
- Вайнберга угол.
Необходимость существования четырёх векторных полей промежуточных бозонов
W+, W-, Z0 и фотона А можно пояснить след. образом. Как известно, в эл--магн. взаимодействии
электрич. заряд играет двойную роль: с одной стороны, он является сохраняющейся
величиной, а с другой - источником эл--магн. поля, осуществляющего взаимодействие
между заряженными частицами (константа взаимодействия е). Такая
роль электрич. заряда обеспечивается калибровочной симметрией, заключающейся
в том, что ур-ния теории не меняются, когда волновые ф-ции заряженных частиц
умножаются на произвольный фазовый множитель
, зависящий от пространственно-временной точки [локальная симметрия
U(1)], и при этом эл--магн. поле, являющееся калибровочным,
подвергается преобразованию
. Преобразования локальной группы U(1)с одним типом заряда и одним
калибровочным полем коммутируют друг с другом (такая группа наз. абелевой).
Указанное свойство электрич. заряда послужило исходным пунктом для построения
теорий и др. типов взаимодействий. В этих теориях сохраняющиеся величины
(напр., изотопич. спин) являются одновременно источниками нек-рых калибровочных
полей, переносящих взаимодействие между частицами. В случае неск. типов
«зарядов» (напр., разл. проекций изотопич. спина), когда отд. преобразования
не коммутируют друг с другом (неабелева группа преобразований), оказывается
необходимым введение неск. калибровочных полей. (Мультиплеты калибровочных
полей, отвечающих локальным неабелевым симметриям, наз. Янга - Миллса
полями.)В частности, чтобы изотопич. спин [к-рому отвечает локальная
группа SU(2)] выступал в качестве константы взаимодействия, необходимы
три калибровочных поля с зарядами
1
и 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 локальных
преобразований группы SU(2) требует, как отмечалось, существования
триплета безмассовых калибровочных полей W+, W-,
W0, источником к-рых является слабый изоспин (константа
взаимодействия g). По аналогии с сильным взаимодействием, в к-ром
гиперзаряд Y частицы, входящей в изотопич. мультиплет, определяется
ф-лой Q = I3 + Y/2 (где I3
- третья проекция изоспина, a Q - электрич. заряд), наряду со слабым
изоспином вводят слабый гиперзаряд. Тогда сохранению электрич. заряда и
слабого изоспина отвечает сохранение слабого гиперзаряда [группа [U(1)].
Слабый гиперзаряд является источником нейтрального калибровочного поля
В0 (константа взаимодействия g'). Две взаимно
ортогональные линейные суперпозиции полей В° и W° описывают
поле фотона А и поле Z-бозона:
где
. Именно величина угла
определяет структуру нейтральных токов. Она же определяет связь между константой
g, характеризующей взаимодействие
-бозонов
со слабым током, и константой е, характеризующей взаимодействие
фотона с электрич. током:
Для того чтобы С. в. носило короткодействующий характер, промежуточные
бозоны должны быть массивными, в то время как кванты исходных калибровочных
полей -
- безмассовые. Согласно стандартной теории, возникновение массы у промежуточных
бозонов происходит при спонтанном нарушении симметрии SU(2) X U(1)до
U(1)эм. При этом одна из суперпозиций полей В0 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-рых
эти бозоны рождаются при столкновениях встречных пучкови
высокой энергии. Первая
-установка
вступила в строй в 1981 в ЦЕРНе. В 1983 появились сообщения о детектировании
в ЦЕРНе первых случаев рождения промежуточных векторных бозонов. В 1989
были опубликованы данные о рождении W- и Z-бозонов на американском
протон-антипротонном коллайдере - Тэватроне, в Фермиевской национальной
ускорительной лаборатории (FNAL). К кон. 1980-х гг. полное число W- и Z-бозонов, наблюдавшихся на протон-антипротонных коллайдерах в ЦЕРНе
и FNAL, исчислялось сотнями.
В 1989 заработали электрон-позитроиные коллайдеры LEP в ЦЕРНе и SLC
в Стэнфордском линейном ускорительном центре (SLAC). Особенно успешной
оказалась работа LEP, где к началу 1991 было зарегистрировано более полумиллиона
случаев 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:
тz = 91,173
0,020 ГэВ (масса W-бозона известна с существенно худшей точностью: mw = 80,22
0,26
ГэВ). Изучение свойств W- и Z-бозонов подтвердило правильность основной
(калибровочной) идеи стандартной теории электрослабого взаимодействия.
Однако для проверки теории в полном объёме необходимо также экспериментально
исследовать механизм спонтанного нарушения симметрии. В рамках стандартной
теории источником спонтанного нарушения симметрии
является специальное изодублетное скалярное поле
, обладающее специфич. самодействием
,
где
- безразмерная константа, а константа h имеет размерность массы
.
Минимум энергии взаимодействия достигается при
,
и, т, о., низшее энергетич. состояние - вакуум - содержит ненулевое вакуумное
значение поля
.
Если этот механизм нарушения симметрии действительно осуществляется в природе,
то должны существовать элементарные скалярные бозоны - т. н. Хиггса
бозон (кванты поля Хиггса). Стандартная теория предсказывает существование
как минимум одного скалярного бозона (он должен быть нейтрален). В более
сложных вариантах теории имеется неск. таких частиц, причём нек-рые из
них - заряженные (при этом возможно
).
В отличие от промежуточных бозонов массы хиггсовых бозонов теорией не предсказываются.
Калибровочная теория электрослабого взаимодействия перенормируема: это означает, в частности, что амплитуды слабых и эл--магн. процессов можно вычислять по теории возмущений, причём высшие поправки малы, как в обычной квантовой электродинамике (см. Перенормируемость ).(В отличие от этого четырёх-фермионная теория С. в. неперенормируема и не является внутренне непротиворечивой теорией.)
Существуют теоретич. модели Великого объединения, в к-рых как
группа
электрослабого взаимодействия, так и группа SU(3)сильного взаимодействия
являются подгруппами единой группы, характеризующейся единой константой
калибровочного взаимодействия. В ещё более фундам. моделях эти взаимодействия
объединяются 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., Калибровочные теории слабых взаимодействий, пер. с англ., М., 1978; На пути к единой теории поля. Сб. ст., переводы, М., 1980; Окунь Л. Б., Лептоны и кварки, 2 изд., М., 1990. Л. Б. Окунь.