Slabá interakce - Weak interaction

Radioaktivní rozpad beta je způsoben slabou interakcí, která transformuje neutron na proton, elektron a elektronové antineutrino .

V jaderné fyzice a částicové fyzice je slabá interakce , která se také často nazývá slabá síla nebo slabá jaderná síla , jednou ze čtyř známých základních interakcí , přičemž ostatními jsou elektromagnetismus , silná interakce a gravitace . Je to mechanismus interakce mezi subatomickými částicemi, který je zodpovědný za radioaktivní rozpad atomů. Slabá interakce se podílí na jaderném štěpení a teorie popisující její chování a účinky se někdy nazývá kvantová flavourdynamika ( QFD ). Termín QFD se však používá jen zřídka, protože slabá síla je lépe chápána elektroslabou teorií (EWT).

Účinný rozsah slabé síly je omezen na subatomární vzdálenosti a je menší než průměr protonu.

Pozadí

Standardní model z fyziky částic poskytuje jednotný rámec pro pochopení elektromagnetické, slabé a silné interakce. Interakce dochází, když dvě částice (obvykle, ale ne nutně poloviny-celočíselné spin fermiony ) výměna celé číslo-spin, síla-nést bosony . Fermiony zapojené do těchto výměn mohou být buď elementární (např. Elektrony nebo kvarky ) nebo kompozitní (např. Protony nebo neutrony ), ačkoli na nejhlubších úrovních jsou všechny slabé interakce nakonec mezi elementárními částicemi .

Při slabé interakci si fermionové mohou vyměňovat tři typy nosičů síly, a to W + , W - a Z bosony . Tyto hmotnosti těchto bosons jsou mnohem větší než hmotnost protonu nebo neutronu, který je v souladu s krátkou vzdálenost slabé síly. Ve skutečnosti je síla označována jako slabá, protože její síla pole na danou vzdálenost je obvykle o několik řádů menší než síla silné jaderné síly nebo elektromagnetické síly.

Kvarky , které tvoří kompozitní částice jako neutrony a protony, se dodávají v šesti „příchutích“ - nahoru, dolů, zvláštní, kouzlo, nahoře a dole - které dávají těmto kompozitním částicím své vlastnosti. Slabá interakce je jedinečná v tom, že umožňuje kvarkům vyměnit jejich chuť za jinou. Výměna těchto vlastností je zprostředkována bosony nosiče síly. Například během beta minus rozpadu se down kvark v neutronu změní na up kvark, čímž se neutron převede na proton a výsledkem je emise elektronu a elektronového antineutrina. Dalším důležitým příkladem jevu zahrnujícího slabou interakci je fúze vodíku v helium, které pohání termonukleární proces Slunce.

Většina fermionů se časem rozpadá slabou interakcí. Takový rozpad umožňuje datování radiokarbonů , protože uhlík-14 se rozpadá díky slabé interakci na dusík-14 . Může také vytvářet radioluminiscenci , běžně používanou při osvětlení tritiem , a v související oblasti betavoltaiky .

Slabá interakce je jedinou zásadní interakcí, která narušuje symetrii parity , a podobně jako jediná narušuje symetrii parity náboje .

Během kvarkové epochy z raného vesmíru je elektroslabá síla dělí na elektromagnetické a slabé síly.

Dějiny

V roce 1933 navrhl Enrico Fermi první teorii slabé interakce, známou jako Fermiho interakce . Navrhl, že rozpad beta lze vysvětlit čtyřfermionovou interakcí zahrnující kontaktní sílu bez dosahu.

Je však lépe popsáno jako bezkontaktní silové pole s konečným rozsahem, i když velmi krátkým. V šedesátých letech minulého století Sheldon Glashow , Abdus Salam a Steven Weinberg sjednotili elektromagnetickou sílu a slabou interakci tím, že je ukázali jako dva aspekty jedné síly, nyní nazývané elektroslabá síla.

Existence W a Z bosons nebyl přímo potvrzeno až do roku 1983.

Vlastnosti

Diagram znázorňující cesty rozpadu v důsledku nabité slabé interakce a určité indikace jejich pravděpodobnosti. Intenzita čar je dána parametry CKM .

Elektricky nabitá slabá interakce je jedinečná v několika ohledech:

Tyto nosné částice, nazývané W a Z bosony, mají díky své velké hmotnosti (přibližně 90 GeV/c 2 ) krátkou životnost a životnost je méně než 10–24  sekund. Slabá interakce má vazebnou konstantu (indikátor síly interakce) mezi 10 - 7 a 10 - 6 , ve srovnání s vazebnou konstantou silné interakce 1 a elektromagnetickou vazebnou konstantou asi 10 -2 ; slabá interakce je tedy „slabá“, pokud jde o sílu. Slabá interakce má velmi krátký účinný dosah (kolem 10-1710-16  m). Na vzdálenostech kolem 10 - 18 metrů má slabá interakce sílu podobné velikosti jako elektromagnetická síla, ale ta začíná s rostoucí vzdáleností exponenciálně klesat . Zvětšená o pouhý jeden a půl řádu ve vzdálenostech kolem 3 × 10–17  m se slabá interakce stane 10 000krát slabší.

Slabá interakce ovlivňuje všechny fermions na standardní model , stejně jako Higgs boson ; neutrina interagují pouze prostřednictvím gravitace a slabé interakce. Slabá interakce nevytváří vázané stavy ani nezahrnuje vazebnou energii - něco, co gravitace dělá v astronomickém měřítku , co elektromagnetická síla dělá na atomové úrovni a co silná jaderná síla působí uvnitř jader.

Jeho nejnápadnější účinek je způsoben jeho první jedinečnou vlastností: Nabitá slabá interakce způsobuje změnu chuti . Například neutron je těžší než proton (jeho partnerský nukleon ) a může se rozpadnout na proton změnou chuti (typu) jednoho ze svých dvou kvarků dolů na kvark up . Ani silná interakce, ani elektromagnetismus nedovolují změnu chuti, takže to probíhá slabým rozpadem ; bez slabého rozpadu by byly ve všech interakcích zachovány také vlastnosti kvarku, jako je podivnost a kouzlo (spojené s podivnými kvarky a kouzelnými kvarky).

Všechny mezony jsou nestabilní kvůli slabému rozpadu. V procesu známého jako beta rozpadu , je dole kvark v neutronu může změnit do nahoru kvark emitováním virtuální
W-
 boson, který se poté převede na elektron a elektronové antineutrino . Dalším příkladem je elektronový záchyt , běžná varianta radioaktivního rozpadu , kde proton a elektron uvnitř atomu interagují a jsou změněny na neutron (vzestupný kvark se změní na downový kvark) a emituje se elektronové neutrino.

Vzhledem k velkým hmotnostem W bosonů dochází k transformaci částic nebo rozpadům (např. Změnám chuti), které závisí na slabé interakci, mnohem pomaleji než k transformacím nebo rozpadům, které závisí pouze na silných nebo elektromagnetických silách. Například neutrální pion se rozpadá elektromagneticky, a tak má životnost jen asi 10 −16  sekund. Naproti tomu nabitý pion se může rozpadat pouze díky slabé interakci, a tak žije asi 10 - 8  sekund, tedy stokrát milionkrát déle než neutrální pion. Zvláště extrémním příkladem je rozpad volné neutrony o slabé síle, který trvá asi 15 minut.

Slabý isospin a slabý hypernáboj

Levostranné fermióny ve standardním modelu
1. generace Generace 2 Generace 3
Fermion Symbol Slabý
isospin
Fermion Symbol Slabý
isospin
Fermion Symbol Slabý
isospin
Elektronové neutrino
ν
E
++1/2 Muonské neutrino
ν
μ
++1/2 Tau neutrino
ν
τ
++1/2
Elektron
E-
-+1/2 Muon
μ-
-+1/2 Tau
τ-
-+1/2
Vzhůru kvark
u
++1/2 Kouzelný kvark
C
++1/2 Špičkový kvark
t
++1/2
Dolní kvark
d
-+1/2 Zvláštní kvark
s
-+1/2 Spodní kvark
b
-+1/2
Všechny výše uvedené levák ( pravidelným ) částice mají odpovídající
pravou rukou antioxidační -particles se stejnou a opačnou slabé isospin.
Všechny pravotočivé (pravidelné) částice a levotočivé antičástice mají slabý izospin 0.

Všechny částice mají vlastnost zvanou slabý isospin (symbol T 3 ), která slouží jako aditivní kvantové číslo, které omezuje, jak se částice může chovat ve slabé interakci. Slabý isospin hraje stejnou roli ve slabé interakci s
W±
jako to dělá elektrický náboj v elektromagnetismu a barevný náboj v silné interakci . Všechny levotočivé fermiony mají slabou hodnotu isospinu buď ++1/2nebo -+1/2; všechny pravotočivé fermiony mají 0 isospin. Například kvark up má T 3 = + +1/2 a dolní kvark má T 3 = - +1/2. Kvark nikdy se rozkládá přes slabou interakci do tvarohu téhož T 3 : kvarky s T 3 o ++1/2rozpadá se pouze na kvarky s T 3 z -+1/2 a naopak.


π+
rozpad prostřednictvím slabé interakce

V jakékoli dané interakci je slabý isospin zachován : Součet slabých čísel izospinů částic vstupujících do interakce se rovná součtu slabých čísel izospinů částic opouštějících tuto interakci. Například (levák)
π+
,
se slabým isospinem +1 se normálně rozpadá na a
ν
μ
( s T 3 = + +1/2 ) a a
μ+
( jako pravotočivý antičástice, ++1/2) .

Pro rozvoj elektroslabé teorie byla vynalezena další vlastnost, slabý hypernáboj , definovaná jako:

kde Y W je slabý hypernáboj částice s elektrickým nábojem Q (v elementárních nábojových jednotkách) a slabý isospin T 3 . Slabý hypernáboj je generátor složky U (1) skupiny elektroslabých měřidel ; zatímco některé částice mají slabý izospin nula, všechny známé spiny 1/2částice mají nenulový slabý hypernáboj.

Typy interakcí

Existují dva typy slabé interakce (nazývané vrcholy ). První typ se nazývá „ interakce nabitého proudu “, protože slabě interagující fermióny tvoří proud s celkovým elektrickým nábojem, který je nenulový. Druhý typ se nazývá „ interakce neutrálního proudu “, protože slabě interagující fermiony tvoří proud s celkovým elektrickým nábojem nula. Je zodpovědný za (vzácné) vychýlení neutrin . Tyto dva typy interakcí se řídí odlišnými pravidly výběru . Tato konvence pojmenování je často špatně chápána při označování elektrického náboje W a Z bosonů , nicméně konvence pojmenování předchází konceptu mediátorových bosonů a jasně (alespoň v názvu) označuje náboj proudu (vytvořeného z fermionů), ne bosony.

Interakce s nabitým proudem

Feynman diagram pro beta-minus rozpadem neutronu na proton , elektronů a elektronů proti neutrin , prostřednictvím mezilehlé těžký
W-
 boson

V jednom typu interakce nabitého proudu může nabitý lepton (například elektron nebo mion s nábojem −1) absorbovat
W+
 boson
(částice s nábojem +1) a tím být převedeny na odpovídající neutrino (s nábojem 0), kde typ („chuť“) neutrina (elektron, muon nebo tau) je stejný jako typ leptonu v interakci, například:

Podobně se typu tvaroh ( d s starosti - 1 / 3 ), mohou být převedeny na up-typu tvarohu ( u , s náplní o + 2 / 3 ), tím, že vypouští
W-
 bosonem nebo absorbováním a
W+
 boson. Přesněji, kvark typu down se stává kvantovou superpozicí kvarků typu up: to znamená, že má možnost stát se kterýmkoli ze tří kvarků typu up, s pravděpodobnostmi uvedenými v maticových tabulkách CKM . Naopak kvark up-type může vydávat a
W+
 boson, nebo absorbovat a
W-
boson, a tím být převedeny na down-type kvark, například:

W boson je nestabilní, takže se rychle rozpadne a má velmi krátkou životnost. Například:

Může dojít k rozpadu W bosonu na jiné produkty s různou pravděpodobností.

V takzvaném beta rozpadu neutronu (viz obrázek výše), kvark dolů v neutronu vysílá virtuální
W-
boson a je tím přeměněn na vzestupný kvark, který převádí neutron na proton. Vzhledem k omezené energii zapojené do procesu (tj. Rozdílu hmotnosti mezi kvarkem dolů a kvarkem nahoru), virtuální
W-
boson může nést pouze dostatek energie k produkci elektronu a elektronového antineutrina-dvou nejnižších možných hmotností mezi svými potenciálními produkty rozpadu. Na úrovni kvarku může být proces reprezentován jako:

Interakce neutrál-proud

Při interakcích s neutrálním proudem kvark nebo lepton (např. Elektron nebo mion ) emituje nebo absorbuje neutrální Z boson . Například:

Jako
W±
 bosoni,
Z0
 boson se také rychle rozpadá, například:

Na rozdíl od interakce nabitého proudu, jehož pravidla výběru jsou přísně omezena chiralitou, elektrickým nábojem a / nebo slabým isospinem, neutrální proud
Z0
interakce může způsobit vychýlení jakýchkoli dvou fermionů ve standardním modelu: Buď částice a antičástice jakéhokoli elektrického náboje, a to jak levostranné, tak pravicové chirality, i když síla interakce se liší.

Slabý náboj kvantového čísla ( Q W ) plní stejnou roli v interakci neutrálního proudu s
Z0
že elektrický náboj ( Q , bez dolního indexu) působí v elektromagnetické interakci : kvantifikuje vektorovou část interakce. Jeho hodnota je dána vztahem:

Vzhledem k slabému úhlu míchání se parentetický výraz s jeho hodnotou mírně mění s rozdílem hybnosti ( běh ) mezi zúčastněnými částicemi. Proto

od konvencí a pro všechny fermions zapojených do slabé interakce Slabá náboj nabitých leptonů se pak blíží k nule, takže tyto většinou vzájemně působí přes axiální spojku s Z .

Electroweak teorie

Standardní model částicové fyziky popisuje elektromagnetické interakce a slabá interakce jako dva různé aspekty jednoho interakce elektroslabé. Tuto teorii vypracovali kolem roku 1968 Sheldon Glashow , Abdus Salam a Steven Weinberg a za svoji práci získali Nobelovu cenu za fyziku v roce 1979 . Higgs mechanismus poskytuje vysvětlení pro přítomnost tří masivních bosons měřidla (
W+
,
W-
,
Z0
tři nosiče slabé interakce) a bezhmotný foton ( γ , nositel elektromagnetické interakce).

Podle elektroslabé teorie má vesmír při velmi vysokých energiích čtyři složky Higgsova pole, jejichž interakce jsou neseny čtyřmi bezhmotnými bosony rozchodů - každý podobný fotonu - tvořící složitý skalární dublet Higgsova pole. Stejně tak existují čtyři bezhmotné elektroslabé bosony. Při nízkých energiích je však tato symetrie rozchodu spontánně rozdělena na symetrii U (1) elektromagnetismu, protože jedno z Higgsových polí získává hodnotu očekávání vakua . Naivně by se dalo očekávat, že přerušení symetrie vytvoří tři bezhmotné bosony , ale místo toho se tyto „extra“ tři Higgsovy bosony začlení do tří slabých bosonů, které pak získají hmotnost pomocí Higgsova mechanismu . Tyto tři složené bosony jsou
W+
,
W-
, a
Z0
 bosony slabé interakce. Čtvrtý elektroslabý měřicí boson je foton elektromagnetismu, který se nespáruje s žádným z Higgsových polí a zůstává bezhmotný.

Tato teorie učinila řadu předpovědí, včetně predikce hmotností
Z
a
W
 bosony před jejich objevením a odhalením v roce 1983.

Dne 4. července 2012 experimentální týmy CMS a ATLAS na Large Hadron Collider nezávisle oznámily, že potvrdily formální objev dříve neznámého hmotnostního bosonu mezi 125 a 127 GeV/ c 2 , jehož chování bylo dosud „v souladu s „Higgsův boson, přičemž přidal opatrnou poznámku, že než pozitivně identifikujeme nový boson jako Higgsův boson nějakého typu, jsou zapotřebí další data a analýza. Do 14. března 2013 byl předběžně potvrzen výskyt Higgsova bosonu.

Ve spekulativním případě, kdy byla snížena škála porušování elektroslabé symetrie , by se nepřerušená interakce SU (2) nakonec omezila . Alternativní modely, kde se SU (2) nad tímto měřítkem omezuje, vypadají kvantitativně podobně jako standardní model při nižších energiích, ale dramaticky odlišné nad porušením symetrie.

Porušení symetrie

Částice pro leváky a praváky : p je hybnost částice a S je její rotace . Všimněte si nedostatku reflexní symetrie mezi státy.

Tyto zákony přírody byly dlouho považovány zůstávají stejné pod zrcadlovým odrazem . Očekávalo se, že výsledky experimentu pozorovaného zrcadlem budou totožné s výsledky samostatně konstruované, zrcadlově odražené kopie experimentálního zařízení sledovaného zrcadlem. Bylo známo, že tento takzvaný zákon zachování parity je respektován klasickou gravitací , elektromagnetismem a silnou interakcí ; předpokládalo se, že je to univerzální zákon. V polovině padesátých let však Chen-Ning Yang a Tsung-Dao Lee navrhli, že slabá interakce může tento zákon porušovat. Chien Shiung Wu a spolupracovníci v roce 1957 zjistili, že slabá interakce porušuje paritu, čímž Yang a Lee získali Nobelovu cenu za fyziku v roce 1957 .

Ačkoli byla slabá interakce kdysi popsána Fermiho teorií , objev teorie narušení parity a teorie renormalizace naznačoval, že je zapotřebí nový přístup. V roce 1957 navrhli Robert Marshak a George Sudarshan a o něco později Richard Feynman a Murray Gell-Mann V-A ( vektor mínus axiální vektor nebo levák) Lagrangian pro slabé interakce. V této teorii slabá interakce působí pouze na částice pro leváky (a pravotočivé antičástice). Protože zrcadlový odraz částice pro leváky je pravák, vysvětluje to maximální porušení parity. V - teorie byla vyvinuta před objevem Z bosonu, takže nezahrnovala pole pravák, které vstupují do neutrální běžnou interakci.

Tato teorie však umožnila zachování symetrie CP složené symetrie . CP kombinuje paritu P (přepínání zleva doprava) s konjugací náboje C (přepínání částic s antičásticemi). Fyzici byli opět překvapeni, když v roce 1964 James Cronin a Val Fitch poskytli jasný důkaz v kaonových rozpadech, že symetrii CP lze také narušit , a získali tak Nobelovu cenu za fyziku v roce 1980 . V roce 1973 Makoto Kobayashi a Toshihide Maskawa ukázaly, že porušení CP v slabé interakci vyžadovalo více než dvě generace částic, což účinně předpovídalo existenci tehdy neznámé třetí generace. Tento objev jim vynesl polovinu Nobelovy ceny za fyziku za rok 2008.

Na rozdíl od narušení parity dochází k narušení CP  pouze ve výjimečných případech. Navzdory omezenému výskytu za současných podmínek se všeobecně věří, že je důvodem, že ve vesmíru je mnohem více hmoty než antihmoty , a tvoří tak jednu ze tří podmínek baryogeneze Andreje Sacharova .

Viz také

Poznámky pod čarou

Reference

Citace

Obecní čtenáři

Texty

externí odkazy