Слабое взаимодействие это кратко

Обновлено: 30.06.2024

Урок-лекция объяснения нового материала, 2 ч. 11-й класс

Вы уже знаете, что все силы в природе сводятся к описанию гравитационного, электромагнитного и сильного взаимодействи й или их совокупностей. Гравитационное взаимодействие присуще всем материальным объектам. К электромагнитному сводятся не только взаимодействие между заряженными телами и частицами, но и упругие, вязкие, молекулярные, химические и другие взаимодействия. Сильное взаимодействие удерживает нуклоны в атомных ядрах и определяет различные превращения частиц друг в друга.

Сегодня мы рассмотрим ещё один, 4-й, тип фундаментальных взаимодействий, несводимый ни к одному из названных, – слабое взаимодействие. Узнаем поразительный факт, что на малых расстояниях слабое взаимодействие становится неотличимым от электромагнитного.

Слабое взаимодействие. Слабым это взаимодействие называется неслучайно. Во-первых, его проявления редко встречаются в нашей повседневной жизни, тогда как мы давно привыкли к различным проявлениям гравитационного и электромагнитного взаимодействий (например, падение всех тел на Землю, трение, молния и др.), к результатам действия ядерных сил, обеспечивающих стабильность окружающего нас вещества. Во-вторых, это взаимодействие действительно является слабым, т.к. его интенсивность при низких энергиях, не превышающих 1 ГэВ – энергии покоя протона, – в миллиарды раз меньше, чем интенсивность сильного и электромагнитного взаимодействий.

Кроме того, опыт показывает, что сильное и электромагнитное взаимодействия могут обеспечивать как различные превращения частиц, так и целостность какого-то материального объекта (например, сильное взаимодействие обеспечивает целостность ядра, электромагнитное взаимодействие – целостность кристаллической решётки). Силы слабого взаимодействия не хватает, чтобы удерживать частицы друг около друга (т.е. образовывать связанные состояния). Оно может проявляться только при распадах и взаимных превращениях частиц.

Итак, каковы основные свойства слабого взаимодействия?

– Слабое взаимодействие при низких энергиях гораздо слабее сильного и электромагнитного взаимодействий;

– слабое взаимодействие является короткодействующим: радиус его действия порядка 10 –18 м;


– слабое взаимодействие универсально: в нём участвуют практически все частицы, кроме фотонов. Кроме того, есть частицы, которые участвуют только в слабом взаимодействии, например, нейтрино и антинейтрино ;

– при слабом взаимодействии не выполняются некоторые, казалось бы, всеобщие законы сохранения (этот вопрос рассмотрен в материале для самостоятельного изучения, см. далее).

Как известно, каждое из взаимодействий осуществляется посредством особых элементарных частиц – переносчиков того или иного взаимодействия. Например, фотоны – переносчики электромагнитного взаимодействия, глюоны – переносчики сильного взаимодействия. В настоящее время учёные пытаются открыть переносчиков гравитационного взаимодействия – гравитоны.

Переносчиками слабого взаимодействия являются промежуточные векторные бозоны. Их известно 3 вида: W – , W + , Z 0 . Эти частицы имеют очень большие массы: mW 85mp, mZ 96mp, где mp – масса протона.

2. Единое электрослабое взаимодействие. Дальнейшие теоретические исследования привели к тому, что картина фундаментальных взаимодействий стала упрощаться. Оказалось, что электромагнитные и слабые взаимодействия являются проявлением одного и того же взаимодействия, которое получило название электрослабого взаимодействия. Эту мысль впервые высказали (независимо друг от друга) в 1967 г. С.Вайнберг и А.Салам, выдвинув следующую гипотезу: природа слабого и электромагнитного взаимодействий едина, т.к. на малых расстояниях слабые взаимодействия сравниваются по силе с электромагнитными, и разница между промежуточными векторными бозонами и фотонами стирается. Иными словами, при энергиях, превышающих несколько сотен гигаэлектронвольт, электромагнитное и слабое взаимодействия становятся неразличимыми по интенсивности, они как бы сливаются в одно электрослабое взаимодействие.

Заметим, что Вайнберг и Салам опирались на высказанное ранее предположение, что переносчиками слабого взаимодействия являются промежуточные векторные бозоны. Экспериментально эти частицы были открыты гораздо позже (в 1983 г.).

3. Обоснование гипотезы Вайнберга–Салама. Вайнберг и Салам пришли к выводу о существовании единого электрослабого взаимодействия на основе новых фундаментальных физических идей:
1) локальной калибровочной инвариантности;
2) спонтанного нарушения симметрии.

Из гипотезы следует, что на малых расстояниях промежуточные векторные бозоны не отличаются по своим свойствам от фотонов, а это значит, что промежуточные векторные бозоны и фотоны – это, по сути, два проявления одной и той же частицы – переносчика электрослабого взаимодействия (иначе сила взаимодействия не может быть одинаковой). Это возможно только тогда, когда выполняется принцип локальной калибровочной инвариантности (симметрии), (см. схему).

Выяснилось, что при изменении масштаба, т.е. при уменьшении расстояния, переносчики электрослабого взаимодействия переходят из одного своего проявления – фотонов – в другое свое проявление – промежуточные векторные бозоны, – но обмен ими осуществляется столь же легко.

Но тут встал новый вопрос: каким образом промежуточные векторные бозоны и фотоны могут быть проявлениями одних и тех же частиц, если у фотонов масса равна нулю, а промежуточные векторные бозоны имеют очень большие массы? Поскольку это одни и те же частицы, их массы обязаны совпадать. Казалось, что возникла безвыходная ситуация.

Оказалось, что промежуточные векторные бозоны способны приобретать свою массу в результате некоего механизма, который называется спонтанным нарушением симметрии. Этот механизм весьма сложен, но попробуем рассмотреть его суть на нескольких простых примерах.

Законы движения отдельных атомов удовлетворяют принципу пространственной симметрии, т.е. не изменяются при движении атома по различным направлениям. Но при образовании кристалла эта симметрия сама собой нарушается, и свойства кристалла по разным направлениям уже не будут одинаковыми. Таким образом, у кристалла по сравнению со свободными атомами появляется много специфических свойств, например, способность намагничиваться.

Шарик, находящийся в центре приподнятого дна бутылки, будет находиться в равновесии. Система при этом обладает осевой симметрией. Однако данное положение равновесия неустойчиво. Предоставленный самому себе шарик под влиянием сколь угодно малого возмущения скатится на вогнутое дно. Это положение шарика устойчиво, т.к. ему соответствует минимум потенциальной энергии в поле тяжести Земли. Первоначальная осевая симметрия состояния окажется спонтанно нарушенной.

Изложенные выше положения составляют единую теорию электрослабого взаимодействия. Именно из неё следовало существование трёх видов промежуточных векторных бозонов W – , W + , Z 0 , а также предсказаны значения их масс.

Экспериментальное открытие промежуточных векторных бозонов в 1983 г. подтвердило справедливость единой теории электрослабого взаимодействия. С этими экспериментами вам также предлагается ознакомиться самостоятельно (вопрос изложен в материале для самостоятельного изучения).

Таким образом, вместо четырёх фундаментальных взаимодействиях можно говорить лишь о трёх: гравитационном, сильном и электрослабом.

Материал для самостоятельного изучения

1. Невыполнение законов сохранения при слабом взаимодействии. Обнаружилось, что при слабом взаимодействии не выполняются некоторые, казалось бы, всеобщие законы сохранения, выполняющиеся при остальных трёх фундаментальных взаимодействиях (см. схему).

Рассмотрим законы, которые не выполняются при слабом взаимодействии.

Закон сохранения пространственной чётности (P-чётности). Говорят, что закон сохранения пространственной чётности в каком-либо процессе выполняется, если процесс является зеркально симметричным, т.е. протекает совершенно одинаково как вправо, так и влево относительно какого-то выбранного центра. Иными словами, сам процесс и его зеркальное отражение протекают абсолютно одинаково.


В 1957 г. Ц.Ву было установлено, что закон сохранения чётности не выполняется при слабых взаимодействиях. Некоторое вещество, содержащее -активный изотоп кобальта , помещалось внутрь катушки с током, создающей магнитное поле (поле необходимо для упорядочивания ориентации спинов и собственных магнитных моментов ядер). Оказалось, что по одну сторону (например, вверх) испускалось примерно на 40% больше электронов, чем по другую.

Опыт на реальной установке (вверху) и его отражение в зеркале (внизу)

Явление несохранения пространственной чётности при слабом взаимодействии можно проиллюстрировать и так. Рождающиеся при слабом взаимодействии частицы (электроны, мюоны, таоны) являются продольно-поляризованными. Это означает, что они имеют собственный момент импульса – спин j, который для данной частицы всегда либо сонаправлен с импульсом частицы p, либо направлен противоположно. При зеркальном отражении у этих частиц указанные векторы меняют направление по-разному. Спин направления не меняет, а импульс – меняет. Однако частиц с полученным расположением p и j попросту не существует, поэтому в зеркале процесс протекает иначе.

Частица с продольной поляризацией: а) падение; б) отражение

Закон сохранения комбинированной чётности (CP-чётности). Невыполнение закона сохранения пространственной чётности было столь необычным явлением, что учёные пытались доказать, что для слабого взаимодействия сохраняемость всё же существует, но она имеет более глубокий смысл. Они считали, что для слабого взаимодействия выполняется закон комбинированной чётности. Суть его в том, что симметрия не будет нарушаться, если в зеркальном отражении все частицы заменить античастицами (произвести так называемое зарядовое сопряжение C). Однако позднее было установлено, что наблюдаются слабые распады так называемых долгоживущих каонов К 0 на пионы + и – , которые будут запрещёнными, если частицы заменить античастицами.

Закон сохранения чарма C и странности S. Странность S и чарм C – характеристики кварков, похожие на электрический заряд и принимающие значения 0, ±1, ±2, ±3. Ненулевое значение странности и чарма означает, что частица состоит из одного-трёх странного и чармированного кварков (антикварков) соответственно. В результате слабых взаимодействий суммарное значение странности и чарма частиц до и после взаимодействия может как сохраняться, так и изменяться.

Закон сохранения изоспина Т. Изоспин, или изотопический спин, – это квантовая векторная величина, характеризующая свойства частиц по отношению к сильному взаимодействию. Частицы, неотличимые по ядерному взаимодействию, например протон и нейтрон, объединяются в изотопический мультиплет, и им присваивается одинаковое значение изотопического спина. Например, для протона и нейтрона |Т| = 1/2. В результате только слабого взаимодействия суммарный вектор изоспина может не сохраняться.

2. Открытие промежуточных векторных бозонов. В 1983 г. существование промежуточных векторных бозонов было экспериментально подтверждено. Известно, что основным методом исследования в физике элементарных частиц является метод рассеяния, т.е. столкновение различных частиц друг с другом, в результате которого рождаются новые частицы. В последнее время широко применяются коллайдеры – ускорители, в которых сталкиваются два пучка частиц с нулевым суммарным импульсом (частицы из разных пучков имеют равные по модулю, но противоположно направленные импульсы). Говорят, что процесс рассматривается в системе центра инерции сталкивающихся частиц. Рождающиеся в коллайдере новые частицы регистрируются различными детекторами.

Итак, столкнём протонный и антипротонный пучки, в каждом из которых энергия частицы равна Е. Тогда суммарная энергия столкновения двух частиц равна 2Е. При условии 2Е > Мс 2 в этом столкновении может быть рождена частица массой М. Рассмотрим процесс: , где Х – это набор всевозможных состояний, например,

Рождение промежуточных векторных бозонов проиллюстрируем диаграммой.

Кварк u из протона и антикварк из антипротона могут слиться в W + (это показано на диаграмме). Аналогично, пары могут дать при слиянии Z 9 -бозон, пара – W – -бозон. Но, родившись, эти частицы быстро распадаются. Например, и др.

Экспериментальное открытие векторных промежуточных бозонов подтвердило справедливость единой теории электрослабого взаимодействия.

Вопросы для самоконтроля

1. Перечислите и поясните законы сохранения, которые выполняются при слабом взаимодействии.

2. В чём суть закона сохранения пространственной чётности?

3. Поясните, каким образом было доказано невыполнение закона сохранения пространственной чётности при слабом взаимодействии. Когда и кем был проведён данный опыт?

4. Как ещё можно проиллюстрировать явление несохранения пространственной чётности при слабом взаимодействии?

5. Чем отличается закон сохранения пространственной чётности от закона сохранения комбинированной чётности? Почему нельзя говорить о его выполнимости для слабого взаимодействия?

6. Для чего были введены странность и чарм? Какие значения они могут принимать? Что можно сказать о сохранении этих величин при слабом взаимодействии?

7. Чем отличается изотопический спин от изотопического мультиплета? Приведите пример изотопического мультиплета. Всегда ли закон сохранения изоспина не выполняется при слабом взаимодействии?

8. Как вы считаете, почему до построения коллайдеров не удавалось экспериментально доказать существование промежуточных векторных бозонов?

9. Поясните процесс рождения промежуточных векторных бозонов в коллайдере.

10. Каким образом регистрируются рождающиеся в коллайдере промежуточные векторные бозоны?

Литература

Мякишев Г.Я. Элементарные частицы. – М.: Наука, 1979.

Мухин К.Н. Занимательная ядерная физика. – М.: Энергоатомиздат, 1985.

Наумов А.И. Физика атомного ядра и элементарных частиц. – М.: Просвещение, 1984.

Окунь Л.Б. Физика элементарных частиц. – М.: Наука, 1988.

Орир Дж. Популярная физика. – М.: Мир, 1964.

Константин Анатольевич Коханов – выпускник Кировского ГПУ 1996 г., учитель физики высшей квалификационной категории, педагогический стаж 9 лет, методист, к.п.н. Женат, имеет двоих детей.

Екатерина Сергеевна Косолапова, студентка 5-го курса физического факультета ВятГГУ.

Слабое взаимодействие – короткодействующее фундаментальное взаимодействие между элементарными частицами, ответственное за бета-распад атомных ядер и медленные распады частиц. Слабое взаимодействие значительно слабее сильного и электромагнитного, но гораздо сильнее гравитационного. В слабом взаимодействии участвуют все фундаментальные фермионы (кварки и лептоны) и все адроны. Единственными частицами, которые участвуют только в слабом взаимодействии являются три типа нейтрино νe, νμ, ντ и их античастицы e, μ, τ. В нем не участвуют переносчики сильного, электромагнитного и гравитационного взаимодействий - глюон, фотон и гравитон. В процессе слабого взаимодействия частицы обмениваются переносчиками слабого взаимодействия промежуточными (фундаментальными) бозонами: имеющими электрический заряд W ± и нейтральным Z. Эти бозоны, в отличие от переносчиков остальных фундаментальных сил безмассовых глюона, фотона и гравитона, имеют огромные массы mW = 80.4 ГэВ/с 2 и
mZ = 91.2 ГэВ/с 2 (примерно как у атомов циркония или ниобия), что приводит к очень малому радиусу действия слабых сил ≈10 -18 см (что на три порядка меньше радиуса сильного взаимодействия) и очень низкой по сравнению с сильными и электромагнитными процессами вероятности (скорости) слабых процессов.
Несмотря на малую величину и короткодействие слабые силы играют очень важную роль в природе. Так без них погасло бы Солнце, так как внутри него остановился бы процесс превращения 4 протонов в ядро гелия-4, являющийся основным источником энергии Солнца.
Слабое взаимодействие выделяется тем, что в нём не соблюдается ряд запретов, присущих сильному и электромагнитному взаимодействиям. Так в слабых процессах кварки одного типа (аромата) превращаются в кварки других ароматов.
Установлено (Ш. Глэшоу, С. Вайнберг, А. Салам), что слабое и электромагнитное взаимодействия являются различными проявлениями единого электрослабого взаимодействия.

СЛА́БОЕ ВЗАИМОДЕ́ЙСТВИЕ, од­но из че­ты­рёх фун­да­мен­таль­ных взаи­мо­дей­ст­вий при­ро­ды, про­те­каю­щее на бо­лее ко­рот­ких рас­стоя­ни­ях и зна­чи­тель­но мед­лен­нее, чем др. фун­да­мен­таль­ные взаи­мо­дей­ст­вия. Так, про­цес­сы, обу­слов­лен­ные силь­ным взаи­мо­дей­ст­ви­ем , про­те­ка­ют за вре­мя ок. 10 –34 с, а С. в. – ок. 10 –10 с. С. в. яв­ля­ет­ся со­став­ной ча­стью совр. стан­дарт­ной мо­де­ли , опи­сы­ваю­щей силь­ные, элек­тро­маг­нит­ные и сла­бые взаи­мо­дей­ст­вия квар­ков и леп­то­нов как об­мен ка­либ­ро­воч­ны­ми бо­зо­на­ми (глюо­на­ми, фо­то­на­ми и $W^±$ - и $Z$ -бо­зо­на­ми со­от­вет­ст­вен­но).

Слабое взаимодействие – второе по слабости из всех четырёх фундаментальных взаимодействий (после гравитационного) и обладает очень коротким радиусом действия. В нём принимают участие все частицы материи, кроме частиц-переносчиков взаимодействия.

Слабое взаимодействие отвечает за радиоактивный распад атомных ядер и слабые распады элементарных частиц, поэтому без него во Вселенной была бы кромешная тьма, так как звёзды бы не светили, ведь не было бы ядерных реакций. А ещё не было бы радиоактивных элементов, например, радия, урана, плутония и других. Для этого всего необходимо превращение одной частицы в другую при помощи ядерного распада.

Решающую роль в слабом взаимодействии играют кварки. Мы знаем, что атом состоит из отрицательно заряженных электронов, а ядра внутри атомов имеют ещё меньшие частички материи – положительно заряженные протоны и электрически нейтральные нейтроны. Ученые выяснили, что они, в свою очередь, состоят из ещё более мелких частиц, - кварков . Кварки – это элементарные заряженные частицы. Каждый протон и каждый нейтрон состоит из трёх кварков.

Аромат кварков – это абстрактное понятие, никак не связанное с запахом, хотя типы этих ароматов по названиям очень напоминают парфюмерию:

Вот уж никак не ожидаешь увидеть в физике подобные эпитеты!

Верхние кварки имеют небольшой позитивный заряд, а нижние – небольшой негативный, и у них обоих самая маленькая масса. Остальные кварки тоже имеют заряд, но все они намного тяжелее и встречаются намного реже, так как быстро распадаются.

Из верхних и нижних кварков состоит почти все. Нейтроны состоят из одного верхнего кварка и двух нижних, а протоны, наоборот, - из двух верхних и одного нижнего.

Суть слабого взаимодействия заключается в изменении аромата кварка посредством процесса радиоактивного бета-распада атомных ядер . Если меняется аромат кварка внутри частицы, то изменяется всё. Используя эту силу, можно из протона сделать нейтрон и наоборот.

Во время слабого взаимодействия происходит обмен частицами. Переносчиками слабого взаимодействия являются W – бозоны, которые могут быть заряжены как положительно, так и отрицательно, и нейтрально заряженные Z – бозоны.

Время экспериментов!

Чтобы представить себе, как работает слабое взаимодействие, можно попробовать превратить нейтрон в протон. Для этого нам понадобится нейтрино – элементарная, электрически нейтральная частица с очень маленькой массой. Если нейтрино приблизится достаточно близко к нейтрону, то позитивно заряженный W – бозон перейдёт из нейтрино в нейтрон. Нейтрино, потеряв позитивный заряд, станет негативным и превратится в электрон. А в нейтроне пришедший позитивно заряженный W – бозон переделает кварк в позитивно заряженный. Так как нейтрон от протона отличает всего один аромат одного кварка, то при такой схеме мы и получим протон. Если изменился состав атома, то и сам атом стал совсем другим элементом. Нейтрино участвуют только в слабом фундаментальном взаимодействии, что доказывает их высокую проникающую способность.

Читайте также: