Слабое взаимодействие
Сла́бое взаимоде́йствие, одно из четырёх фундаментальных взаимодействий природы, протекающее на более коротких расстояниях и значительно медленнее, чем другие фундаментальные взаимодействия. Так, процессы, обусловленные сильным взаимодействием, протекают за время около 10–34 с, а слабым взаимодействием – около 10–10 с. Является составной частью современной Стандартной модели, описывающей сильные, электромагнитные и слабые взаимодействия кварков и лептонов как обмен калибровочными бозонами (глюонами, фотонами и - и -бозонами соответственно).
При слабом взаимодействии распады тяжёлых лептонов и кварков на лёгкие происходят за счёт обмена -бозонами. Распады кварков приводят как к слабым распадам адронов и ядер (например, бета-распад нейтрона где – нейтрон, – протон, – электрон, – электронное антинейтрино), так и к реакциям синтеза, обусловливающим термоядерное горение звёзд (например, реакция водородного цикла где D – дейтрон, – позитрон, – электронное нейтрино). - и -бозоны – очень тяжёлые элементарные частицы, их массы близки к 80 и 90 ГэВ соответственно. Такая большая масса обусловливает малое время их жизни, равное 10–24 с, и объясняет слабость переносимого ими взаимодействия кварков и лептонов.
Время жизни элементарных частиц, распадающихся за счёт слабого взаимодействия, изменяется в широком диапазоне: от 900 с (время жизни свободного нейтрона) до примерно 10–12 с (время жизни адронов, в состав которых входят - или -кварки). Это гораздо больше времени жизни элементарных частиц, распадающихся за счёт сильного или электромагнитного взаимодействия. Другой пример слабости взаимодействия – короткодействие и, следовательно, большие пробеги частиц в веществе. Нейтрино, участвующие только в слабом взаимодействии (не считая гравитационного), рождаясь в ядре Солнца, выходят из Солнца, не изменяя (за счёт рассеяния) своей прямолинейной траектории. Более того, характерная длина пробега солнечных нейтрино в веществе Солнца – порядка 109 диаметров Солнца. Характерные длины пробега частиц в веществе при сильном взаимодействии – десятки сантиметров.
Несмотря на малую величину, роль слабого взаимодействия в физике элементарных частиц велика, с ними связаны многие фундаментальные открытия. В 1956–1957 гг. было установлено, что в слабых взаимодействиях (в отличие от сильных и электромагнитных) нарушается инвариантность относительно отражения пространственных координат (-чётность) и замены частиц на античастицы (-чётность). Позднее (1964) оказалось, что они неинвариантны также относительно комбинированной чётности (-чётности) и относительно обращения времени
В первой теории слабых взаимодействий, предложенной Э. Ферми в 1934 г., слабость взаимодействия объяснялась малой константой связи ( – масса протона). В теории, созданной в 1960-х гг. Ш. Глэшоу, С. Вайнбергом и А. Саламом (ГВС-теория), малость объясняется тем, что она обратно пропорциональна квадрату массы тяжёлого W-бозона: , где – калибровочная константа связи слабых взаимодействий. ГВС-теория основана на калибровочной -симметрии. Три калибровочных поля отвечают группе , а одно калибровочное поле – группе
ГВС-теория описывает как слабые, так и электромагнитные взаимодействия и поэтому называется теорией электрослабого взаимодействия. Поля фотона и Z-бозона являются линейными суперпозициями затравочных безмассовых полей и Обмены -бозонами приводят к нейтральным токам, открытым в 1973 г. в ЦЕРН при изучении рассеяния мюонных нейтрино на ядрах, что подтвердило справедливость ГВС-теории. Токи, возникающие при обмене фотоном, также являются нейтральными. Поля -бозонов, выраженные через затравочные поля, имеют следующий вид: Обмен -бозонами приводит к заряженным токам.
Построение современной самосогласованной теории слабых взаимодействий оказалось возможным благодаря приданию масс кваркам, лептонам и - и -бозонам с помощью т. н. механизма Хиггса. При этом по теории должна возникнуть новая нейтральная элементарная частица – бозон Хиггса, которая была открыта в 2012 г. на Большом адронном коллайдере (ЦЕРН) и также оказалась очень тяжёлой – её масса в полтора раза больше массы -бозона: ГэВ.
Нарушение -чётности связано с тем, что лептоны и кварки, поляризованные по импульсу и против, включаются в ГВС-теорию по-разному. Лептоны и кварки, поляризованные против импульса, являются компонентами дублетов по группе , а поляризованные по импульсу – синглетами, инвариантными относительно -преобразований. Нарушение -чётности менее тривиально: для него требуется наличие как минимум 3 поколений кварков, которые как раз и существуют в природе: и Кварковый состав протона – , нейтрона – Частицы, содержащие -, - и -кварки, найденные в космических лучах и в экспериментах на ускорителях, распадаются в основном за счёт слабых взаимодействий, поэтому в окружающем нас веществе их нет. Самая тяжёлая элементарная частица – -кварк с массой 172 ГэВ – распадается так быстро, что содержащие его частицы не успевают сформироваться.
Новые теоретические расширения Стандартной модели предсказывают существование нейтральных и заряженных аналогов бозона Хиггса. Наибольший интерес представляет теория суперсимметрии, предсказывающая большое количество новых элементарных частиц.