Подпишитесь на наши новости
Вернуться к началу с статьи up
 

ЭЛЕКТРОСЛА́БОЕ ВЗАИМОДЕ́ЙСТВИЕ

  • рубрика

    Рубрика: Физика

  • родственные статьи
  • image description

    В книжной версии

    Том 35. Москва, 2017, стр. 332-333

  • image description

    Скопировать библиографическую ссылку:




Авторы: М. И. Высоцкий

ЭЛЕКТРОСЛА́БОЕ ВЗАИМОДЕ́ЙСТВИЕ, элек­тро­маг­нит­ное и сла­бое взаи­мо­дей­ст­вие леп­то­нов и квар­ков, в ко­то­ром из­лу­ча­ет­ся и по­гло­ща­ет­ся фо­тон или про­ме­жу­точ­ный век­тор­ный бо­зон. Пе­ре­нос­чи­ка­ми элек­тро­маг­нит­но­го взаи­мо­дей­ст­вия яв­ля­ют­ся без­мас­со­вые фо­то­ны, сла­бое взаи­мо­дей­ст­вие про­ис­хо­дит при об­ме­не мас­сив­ны­ми W±- и Z-бо­зо­на­ми. Об­мен за­ря­жен­ны­ми W±-бо­зо­на­ми при­во­дит к та­ким взаи­мо­дей­ст­ви­ям, как β-рас­пад ядер, рас­пад ней­тро­на и др. эле­мен­тар­ных час­тиц (мюо­на, за­ря­жен­ных π±-ме­зо­нов, K-ме­зо­нов и др.). Эти про­цес­сы тра­ди­ци­он­но опи­сы­ва­лись т. н. че­ты­рёхфер­ми­он­ной тео­ри­ей, не­пе­ре­нор­ми­руе­мость ко­то­рой де­ла­ла не­воз­мож­ной вы­чис­ле­ние ра­диа­ци­он­ных по­пра­вок и при­во­ди­ла к па­ра­док­сам при энер­гии ок. 300 ГэВ. В сер. 1960-х гг. Ш. Глэ­шоу, С. Вайн­берг и А. Са­лам по­строи­ли пе­ре­нор­ми­руе­мую тео­рию Э. в., ос­но­ван­ную на ло­каль­ной ка­либ­ро­воч­ной сим­мет­рии (тео­рия Глэ­шоу – Вайн­бер­га – Са­ла­ма, ГВС-тео­рия). Че­ты­рёх­фер­ми­он­ная тео­рия яв­ля­ет­ся низ­ко­энер­ге­тич. пре­де­лом ГВС-тео­рии. От­кры­тие ней­траль­ных то­ков (1973), обу­слов­лен­ных об­ме­ном ней­траль­ным Z-бо­зо­ном, под­твер­ди­ло ГВС- тео­рию. По­сле­до­вав­шее че­рез 10 лет от­кры­тие W±- и Z-бо­зо­нов окон­ча­тель­но под­твер­ди­ло ка­либ­ро­воч­ную тео­рию Э. в. Мас­сы про­ме­жу­точ­ных W±- и Z-бо­зо­нов очень ве­ли­ки: они близ­ки к 80 и 90 ГэВ со­от­вет­ст­вен­но (или к мас­сам 80 и 90 про­то­нов). Для их от­кры­тия в ЦЕРНе был по­стро­ен про­тон-ан­ти­про­тон­ный кол­лай­дер на ре­корд­ную для то­го вре­ме­ни энер­гию 270+270 ГэВ. Пе­ре­нор­ми­руе­мость тео­рии Э. в. дос­ти­га­ет­ся за счёт Хигг­са ме­ха­низ­ма ге­не­ра­ции масс W±- и Z-бо­зо­нов, квар­ков и леп­то­нов. При этом воз­ни­ка­ет но­вая эле­мен­тар­ная час­ти­ца – Хигг­са бо­зон, взаи­мо­дей­ст­вие ко­то­рой с др. эле­мен­тар­ны­ми час­ти­цам тем силь­нее, чем боль­ше их мас­са. За счёт ра­диа­ци­он­ных по­пра­вок па­ра­мет­ры Z- и W±-бо­зо­нов за­ви­сят от чис­лен­ных зна­че­ний масс тя­жё­ло­го t-квар­ка и бо­зо­на Хигг­са. Точ­ное из­ме­ре­ние этих па­ра­мет­ров по­зво­ли­ло пред­ска­зать мас­су t-квар­ка, что в зна­чит. сте­пе­ни по­мог­ло об­на­ру­жить в экс­пе­ри­мен­те его ро­ж­де­ние и рас­пад, а позд­нее да­ло воз­мож­ность с точ­но­стью до 30 ГэВ пред­ска­зать мас­су бо­зо­на Хигг­са, от­кры­то­го в 2012 на Боль­шом ад­рон­ном кол­лай­де­ре (ЦЕРН). Мас­са t-квар­ка близ­ка к 172 ГэВ, мас­са бо­зо­на Хигг­са – к 125 ГэВ; это две наи­бо­лее тя­жё­лые из из­вест­ных ны­не эле­мен­тар­ных час­тиц. Ка­либ­ро­воч­ные кон­стан­ты элек­тро­маг­нит­ных и сла­бых взаи­мо­дей­ст­вий ма­ло раз­ли­ча­ют­ся, что при­во­дит к оди­на­ко­вым ин­тен­сив­но­стям этих взаи­мо­дей­ст­вий при вы­со­ких энер­ги­ях. При низ­ких энер­ги­ях не­вы­со­кая ин­тен­сив­ность сла­бых взаи­мо­дей­ст­вий объ­яс­ня­ет­ся боль­ши­ми мас­са­ми W±- и Z-бо­зо­нов. Тре­бо­ва­ние пе­ре­нор­ми­руе­мо­сти при­во­дит к кварк-леп­тон­ной сим­мет­рии: в при­ро­де име­ет­ся 6 квар­ков и 6 леп­то­нов, уча­ст­вую­щих в Э. в. Не­об­хо­ди­мым для ком­пен­са­ции ано­ма­лий ока­зы­ва­ет­ся ра­вен­ст­во по аб­со­лют­ной ве­ли­чи­не элек­трич. за­ря­дов про­то­на и элек­тро­на и ней­траль­ность ней­тро­на и ней­три­но.

Квар­ки и леп­то­ны об­ра­зу­ют 3 кварк- леп­тон­ных по­ко­ле­ния. В пер­вое вхо­дят u- и d-квар­ки, элек­трон e и элек­трон­ное ней­три­но ν1. Во вто­рое – c- и s-квар­ки, мю­он μ и мю­он­ное ней­три­но ν2, в третье – t- и b-квар­ки, тау-леп­тон τ и тау-ней­три­но ν3. Кван­то­вые чис­ла «верх­них» (u, c, t) и «ниж­них» (d, s, b) квар­ков, а так­же за­ря­жен­ных леп­то­нов (e, μ, τ) и трёх ней­три­но оди­на­ко­вы. Мас­сы за­ря­жен­ных леп­то­нов и квар­ков рас­тут с но­ме­ром по­ко­ле­ний: mu<mc<mt, md<ms<mb, me<mμ<mτ. Про ней­три­но из­вест­но, что ν2 тя­же­лее ν1. Име­ет ли ме­сто нор­маль­ная ие­рар­хия mν1<mν2<mν3 или об­рат­ная ие­рар­хия mν3<mν2<mν1, долж­ны оп­ре­де­лить бу­ду­щие экс­пе­ри­мен­ты. Экс­пе­ри­мен­ты по пря­мо­му оп­ре­де­ле­нию масс ней­три­но по­ка при­во­дят лишь к верх­ним ог­ра­ни­че­ни­ям на зна­че­ния их масс.

По­сле от­кры­тия в сер. 1950-х гг. на­ру­ше­ния про­стран­ст­вен­ной (P) и за­ря­до­вой (C) чёт­но­стей в сла­бом взаи­мо­дей­ст­вии Л. Д. Лан­дау вы­дви­нул ги­по­те­зу о со­хра­не­нии в при­ро­де про­из­ве­де­ния этих чёт­но­стей (CP-чёт­но­сти, или ком­би­ни­ро­ван­ной чёт­но­сти), ко­то­рое рас­смат­ри­ва­лось как фун­дам. сим­мет­рия. Позд­нее в рас­па­дах ней­траль­ных K-ме­зо­нов бы­ло об­на­ру­же­но на­ру­ше­ние CP-чёт­но­сти, и дол­гое вре­мя бы­ло не­яс­но, как вклю­чить это на­ру­ше­ние в тео­рию эле­мен­тар­ных час­тиц. В тео­рии Э. в. та­кая воз­мож­ность воз­ни­ка­ет ес­теств. об­ра­зом, ес­ли су­ще­ст­ву­ет три или боль­ше по­ко­ле­ний квар­ков. В слу­чае трёх по­ко­ле­ний на­ру­ше­ние CP-чёт­но­сти объ­яс­ня­ет­ся од­ним па­ра­мет­ром – фа­зой δ в мат­ри­це сме­ши­ва­ния квар­ков. Изу­че­ние на­ру­ше­ния СР-чёт­но­сти в рас­па­де B-ме­зо­нов, ро­ж­дае­мых на асим­мет­рич­ных по­зи­трон-элек­трон­ных кол­лай­де­рах (спе­ци­аль­но с этой це­лью по­стро­ен­ных в Япо­нии и США), под­твер­ди­ло спра­вед­ли­вость это­го ме­ха­низ­ма на­ру­ше­ния и по­зво­ли­ло най­ти зна­че­ние δ. Ана­ло­гич­но на­ру­ше­нию -чёт­но­сти для квар­ков, оно долж­но быть и для леп­то­нов. Его на­де­ют­ся об­на­ру­жить в экс­пе­ри­мен­тах по изу­че­нию ней­трин­ных ос­цил­ля­ций.

Не­смот­ря на ус­пе­хи в опи­са­нии свойств эле­мен­тар­ных час­тиц, тео­рия Э. в. ну­ж­да­ет­ся в даль­ней­шем раз­ви­тии. В ней име­ет­ся бо­лее 20 па­ра­мет­ров (мас­сы и уг­лы сме­ши­ва­ния квар­ков и леп­тонов, ка­либ­ро­воч­ные кон­стан­ты, мас­са и ва­ку­ум­ное сред­нее бо­зо­на Хигг­са), что слиш­ком мно­го для фун­дам. тео­рии. Сре­ди вхо­дя­щих в её со­став эле­мен­тар­ных час­тиц нет кан­ди­да­та на роль тём­ной ма­те­рии, ко­то­рая не­об­хо­ди­ма для раз­ре­ше­ния ря­да кос­мо­ло­гич. и ас­т­рофи­зич. па­ра­док­сов. Пред­сто­ит оп­ре­де­лить ие­рар­хию масс ней­три­но, из­ме­рить зна­че­ния их масс и об­на­ру­жить на­ру­ше­ние CP-чёт­но­сти в ос­цил­ля­ци­ях ней­три­но.

Лит.: Вы­соц­кий М. И. Лек­ции по тео­рии элек­тро­сла­бых взаи­мо­дей­ст­вий. М., 2011; Окунь Л. Б. Леп­то­ны и квар­ки. 7-е изд. М., 2014.

Вернуться к началу