Сильные и слабые взаимодействия элементарных частиц. Сильное и слабое взаимодействие

Время подобно реке, несущей проходящие мимо события, и течение её сильно; только что-либо покажется вам на глаза - а его уже унесло, и видно что-то другое, что тоже вскоре унесёт.

Марк Аврелий

Каждый из нас стремится создать целостную картину мира, включая картину Вселенной, от мельчайших субатомных частиц до величайших масштабов. Но законы физики порою настолько странные и контринтуитивные, что эта задача может стать непосильной для тех, кто не стал профессиональными теоритическими физиками.

Читатель спрашивает:

Хотя это и не астрономия, но может быть вы подскажете. Сильное взаимодействие переносится глюонами и связывает кварки и глюоны вместе. Электромагнитное переносится фотонами и связывает электрические заряженные частицы. Гравитация, предположительно, переносится гравитонами и связывает все частицы с массой. Слабое переносится W и Z частицами, и … связано с распадом? Почему слабое взаимодействие описывают именно так? Ответственно ли слабое взаимодействие за притяжение и/или отталкивание каких-либо частиц? И каких? А если нет, почему тогда это одно из фундаментальных взаимодействий, если оно не связано ни с какими силами? Спасибо.

Давайте-ка разберёмся в основах. Во вселенной существует четыре фундаментальных взаимодействия – гравитация, электромагнетизм, сильное ядерное взаимодействие и слабое ядерное взаимодействие.

И всё это – взаимодействия, силы. Для частиц, состояние которых можно измерить, приложение силы меняет её момент – в обычной жизни в таких случаях мы говорим об ускорении. И для трёх из указанных сил это так и есть.

В случае гравитации, общая сумма энергии (в основном массы, но сюда входит вся энергия) искривляет пространство-время, и движение всех остальных частиц меняется в присутствии всего, что имеет энергию. Так оно работает в классической (не квантовой) теории гравитации. Может, и есть более общая теория, квантовой гравитации, где происходит обмен гравитонами, приводящий к тому, что мы наблюдаем как гравитационное взаимодействие.

Перед тем, как продолжить, уясните:

У частиц есть свойство, или что-то, присущее им, что позволяет им чувствовать (или не чувствовать) определённый тип силы
Другие частицы, переносящие взаимодействия, взаимодействуют с первыми
В результате взаимодействий частицы меняют момент, или ускоряются

В электромагнетизме основное свойство – электрический заряд. В отличие от гравитации, он может быть положительным или отрицательным. Фотон, частица, переносящая взаимодействие, связанное с зарядом, приводит к тому, что одинаковые заряды отталкиваются, а различающиеся – притягиваются.

Стоит отметить, что движущиеся заряды, или электрические токи, испытывают ещё одно проявление электромагнетизма – магнетизм. С гравитацией происходит то же самое, и называется гравитомагнетизм (или гравитоэлектромагнетизм). Углубляться не будем – суть в том, что есть не только заряд и переносчик силы, но и токи.

Есть ещё сильное ядерное взаимодействие , у которого есть три типа зарядов. Хотя у всех частиц есть энергия, и они все подвержены гравитации, и хотя кварки, половина лептонов и пара бозонов содержат электрические заряды – только у кварков и глюонов есть цветной заряд, и они могут испытывать сильное ядерное взаимодействие.

Масс везде много, поэтому гравитацию наблюдать легко. А поскольку сильное взаимодействие и электромагнетизм довольно сильны, их тоже легко наблюдать.

Но что насчёт последнего? Слабого взаимодействия?

Про него мы обычно говорим в контексте радиоактивного распада. Тяжёлые кварк или лептон распадаются на лёгкие и более стабильные. Да, слабое взаимодействие имеет к этому отношение. Но в данном примере оно как-то отличается от остальных сил.

Оказывается, что слабое взаимодействие – тоже сила, просто про неё нечасто рассказывают. Она ведь слабая! В 10 000 000 раз слабее, чем электромагнетизм, на дистанции длиной в диаметр протона.

Заряженная частица всегда имеет заряд, независимо от того, двигается она или нет. Но электрический ток, создаваемый ею, зависит от её движения относительно остальных частиц. Ток определяет магнетизм, который так же важен, как и электрическая часть электромагнетизма. У составных частиц вроде протона и нейтрона есть существенные магнитные моменты, как и у электрона.

Кварки и лептоны бывают шести ароматов. Кварки – верхний, нижний, странный, очарованный, прелестный, истинный (согласно их буквенным обозначениям в латинице u, d, s, c, t, b - up, down, strange, charm, top, bottom). Лептоны – электрон, электрон-нейтрино, мюон, мюон-нейтрино, тау, тау-нейтрино. У каждого из них есть электрический заряд, но также и аромат. Если мы объединим электромагнетизм и слабое взаимодействие, чтобы получить электрослабое взаимодействие , то у каждой из частиц будет некий слабый заряд, или электрослабый ток, и константа слабого взаимодействия. Всё это описано в Стандартной модели, но проверить это было довольно сложно, поскольку электромагнетизм настолько силён.

В новом эксперименте, результаты которого недавно были опубликованы , впервые был измерен вклад слабого взаимодействия. Эксперимент позволил определить слабое взаимодействие верхних и нижних кварков

И слабые заряды протона и нейтрона. Предсказания Стандартной модели для слабых зарядов были такие:

Q W (p) = 0.0710 ± 0.0007,
Q W (n) = -0.9890 ± 0.0007.

А по результатам рассеяния эксперимент выдал следующие значения:

Q W (p) = 0.063 ± 0.012,
Q W (n) = -0.975 ± 0.010.

Что очень хорошо совпадает с теорией с учётом погрешности. Экспериментаторы говорят, что обработав больше данных, они ещё уменьшат погрешность. И если там будут какие-то сюрпризы или расхождения со Стандартной моделью, это будет круто! Но на это ничто не указывает:

Поэтому у частиц есть слабый заряд, но мы про него не распространяемся, поскольку его нереально тяжело измерить. Но мы всё-таки сделали это, и судя по всему, снова подтвердили Стандартную модель.

Слабое взаимодействие

Это взаимодействие является наиболее слабым из фундаментальных взаимодействий, экспериментально наблюдаемых в распадах элементарных частиц, где принципиально существенными являются квантовые эффекты. Напомним, что квантовые проявления гравитационного взаимодействия никогда не наблюдались. Слабое взаимодействие выделяется с помощью следующего правила: если в процессе взаимодействия участвует элементарная частица, называемая нейтрино (или антинейтрино), то данное взаимодействие является слабым.

Слабое взаимодействие гораздо интенсивнее гравитационного.

Слабое взаимодействие в отличие от гравитационного является короткодействующим. Это означает, что слабое взаимодействие между частицами начинает действовать, только если частицы находятся достаточно близко друг к другу. Если же расстояние между частицами превосходит некоторую величину, называемую характерным радиусом взаимодействия, слабое взаимодействие не проявляет себя. Экспериментально установлено, что характерный радиус слабого взаимодействия порядка 10-15 см, то есть слабое взаимодействие, сосредоточен на расстояниях меньше размеров атомного ядра.

Почему можно говорить о слабом взаимодействии как о независимом виде фундаментальных взаимодействий? Ответ прост. Установлено, что есть процессы превращений элементарных частиц, которые не сводятся к гравитационным, электромагнитным и сильным взаимодействиям. Хороший пример, показывающий, что существуют три качественно различных взаимодействия в ядерных явлениях, связан с радиоактивностью. Эксперименты указывают на наличие трех различных видов радиоактивности: a-, b и g-радиоактивных распадов. При этом a-распад обусловлен сильным взаимодействием, g-распад - электромагнитным. Оставшийся b-распад не может быть объяснен электромагнитным и сильным взаимодействиями, и мы вынуждены принять, что есть еще одно фундаментальное взаимодействие, названное слабым. В общем случае необходимость введения слабого взаимодействия обусловлена тем, что в природе происходят процессы, в которых электромагнитные и сильные распады запрещены законами сохранения.

Хотя слабое взаимодействие существенно сосредоточено внутри ядра, оно имеет определенные макроскопические проявления. Как мы уже отмечали, оно связано с процессом b-радиоактивности. Кроме того, слабое взаимодействие играет важную роль в так называемых термоядерных реакциях, ответственных за механизм энерговыделения в звездах.

Удивительнейшим свойством слабого взаимодействия является существование процессов, в которых проявляется зеркальная асимметрия. На первый взгляд кажется очевидным, что разница между понятиями левое и правое условна. Действительно, процессы гравитационного, электромагнитного и сильного взаимодействия инвариантны относительно пространственной инверсии, осуществляющей зеркальное отражение. Говорят, что в таких процессах сохраняется пространственная четность P. Однако экспериментально установлено, что слабые процессы могут протекать с несохранением пространственной четности и, следовательно, как бы чувствуют разницу между левым и правым. В настоящее время имеются твердые экспериментальные доказательства, что несохранение четности в слабых взаимодействиях носит универсальный характер, оно проявляет себя не только в распадах элементарных частиц, но и в ядерных и даже атомных явлениях. Следует признать, что зеркальная асимметрия представляет собой свойство Природы на самом фундаментальном уровне.

В электромагнитном взаимодействии участвуют все заряженные тела, все заряженные элементарные частицы. В этом смысле оно достаточно универсально. Классической теорией электромагнитного взаимодействия является максвелловская электродинамика. В качестве константы связи принимается заряд электрона e.

Если рассмотреть два покоящихся точечных заряда q1 и q2, то их электромагнитное взаимодействие сведется к известной электростатической силе. Это означает, что взаимодействие является дальнодействующим и медленно спадает с ростом расстояния между зарядами. Заряженная частица испускает фотон, в силу чего состояние ее движения изменяется. Другая частица поглощает этот фотон и также изменяет состояние своего движения. В результате частицы как бы чувствуют наличие друг друга. Хорошо известно, что электрический заряд является размерной величиной. Удобно ввести безразмерную константу связи электромагнитного взаимодействия. Для этого надо использовать фундаментальные постоянные и c. В результате приходим к следующей безразмерной константе связи, называемой в атомной физике постоянной тонкой структуры

Легко заметить, что данная константа значительно превышает константы гравитационного и слабого взаимодействий.

С современной точки зрения электромагнитное и слабое взаимодействия представляют собой различные стороны единого электрослабого взаимодействия. Создана объединенная теория электрослабого взаимодействия - теория Вайнберга-Салама-Глэшоу, объясняющая с единых позиций все аспекты электромагнитных и слабых взаимодействий. Можно ли понять на качественном уровне, как происходит разделение объединенного взаимодействия на отдельные, как бы независимые взаимодействия?

Пока характерные энергии достаточно малы, электромагнитное и слабое взаимодействия отделены и не влияют друг на друга. С ростом энергии начинается их взаимовлияние, и при достаточно больших энергиях эти взаимодействия сливаются в единое электрослабое взаимодействие. Характерная энергия объединения оценивается по порядку величины как 102 ГэВ (ГэВ - это сокращенное от гигаэлектрон-вольт, 1 ГэВ = 109 эВ, 1 эВ = 1.6·10-12 эрг = 1.6·1019 Дж). Для сравнения отметим, что характерная энергия электрона в основном состоянии атома водорода порядка 10-8 ГэВ, характерная энергия связи атомного ядра порядка 10-2 ГэВ, характерная энергия связи твердого тела порядка 10-10 ГэВ. Таким образом, характерная энергия объединения электромагнитных и слабых взаимодействий огромна по сравнению с характерными энергиями в атомной и ядерной физике. По этой причине электромагнитное и слабое взаимодействия не проявляют в обычных физических явлениях своей единой сущности.

Сильное взаимодействие

Сильное взаимодействие ответственно за устойчивость атомных ядер. Поскольку атомные ядра большинства химических элементов стабильны, то ясно, что взаимодействие, которое удерживает их от распада, должно быть достаточно сильным. Хорошо известно, что ядра состоят из протонов и нейтронов. Чтобы положительно заряженные протоны не разлетелись в разные стороны, необходимо наличие сил притяжения между ними, превосходящих силы электростатического отталкивания. Именно сильное взаимодействие является ответственным за эти силы притяжения.

Характерной чертой сильного взаимодействия является его зарядовая независимость. Ядерные силы притяжения между протонами, между нейтронами и между протоном и нейтроном по существу одинаковы. Отсюда следует, что с точки зрения сильных взаимодействий протон и нейтрон неотличимы и для них используется единый термин нуклон, то есть частица ядра.

Итак, мы сделали обзор основных сведений, касающихся четырех фундаментальных взаимодействий Природы. Кратко описаны микроскопические и макроскопические проявления этих взаимодействий, картина физических явлений, в которых они играют важную роль.

Марк Аврелий

Читатель спрашивает:

Хотя это и не астрономия, но может быть вы подскажете. Сильное взаимодействие переносится глюонами и связывает кварки и глюоны вместе. Электромагнитное переносится фотонами и связывает электрические заряженные частицы. Гравитация, предположительно, переносится гравитонами и связывает все частицы с массой. Слабое переносится W и Z частицами, и … связано с распадом? Почему слабое взаимодействие описывают именно так? Ответственно ли слабое взаимодействие за притяжение и/или отталкивание каких-либо частиц? И каких? А если нет, почему тогда это одно из фундаментальных взаимодействий, если оно не связано ни с какими силами? Спасибо.

Перед тем, как продолжить, уясните:

У частиц есть свойство, или что-то, присущее им, что позволяет им чувствовать (или не чувствовать) определённый тип силы
Другие частицы, переносящие взаимодействия, взаимодействуют с первыми
В результате взаимодействий частицы меняют момент, или ускоряются

Но что насчёт последнего? Слабого взаимодействия?

И слабые заряды протона и нейтрона. Предсказания Стандартной модели для слабых зарядов были такие:

Q W (p) = 0.0710 ± 0.0007,
Q W (n) = -0.9890 ± 0.0007.

А по результатам рассеяния эксперимент выдал следующие значения:

Q W (p) = 0.063 ± 0.012,
Q W (n) = -0.975 ± 0.010.

Читателю знакомы разные по своей природе силы, проявляющиеся во взаимодействиях между телами. Но глубоко различающихся в принципе типов взаимодействия очень мало. Если не считать тяготения, которое играет существенную роль только в присутствии огромных масс, то известны лишь три вида взаимодействий: сильные , электромагнитные и слабые .

Электромагнитные взаимодействия всем знакомы. Благодаря им движущийся неравномерно электрический заряд (скажем, электрон в атоме) испускает электромагнитные волны (например, видимый свет). С этим классом взаимодействий связаны все химические процессы, а также все молекулярные явления - поверхностное натяжение, капиллярность, адсорбция, текучесть. Электромагнитные взаимодействия , теория которых блестяще подтверждается опытом, глубоко связаны с электрическим зарядом элементарных частиц .

Сильные взаимодействия стали известны только после раскрытия внутренней структуры атомного ядра. В 1932 г. было обнаружено, что оно состоит из нуклонов, нейтронов и протонов. И именно сильные взаимодействия соединяют нуклоны в ядре - отвечают за ядерные силы, которые в отличие от электромагнитных характеризуются очень малым радиусом действия (около 10-13, т.е. одной десятитриллионной доли сантиметра) и большой интенсивностью. Кроме этого, сильные взаимодействия появляются при столкновениях частиц высоких энергии с участием пионов и так называемых "странных" частиц .

Интенсивность взаимодействий удобно оценивать по так называемой длине свободного пробега частиц в некотором веществе, т.е. по средней величине пути, который частица может пройти в этом веществе до разрушающего или сильно отклоняющего соударения. Ясно, что чем больше длина свободного пробега, тем менее интенсивно взаимодействие.

Если рассматривать частицы очень высокой энергии, то соударения, обусловленные сильными взаимодействиями , характеризуются длиной свободного пробега частиц , соответствующей по порядку величины десяткам сантиметров в меди или железе.

Иначе обстоит дело при слабых взаимодействиях . Как мы уже сказали, длина свободного пробега нейтрино в плотном веществе измеряется в астрономических единицах. Это указывает на удивительно малую интенсивность слабых взаимодействий.

Любой процесс взаимодействия элементарных частиц характеризуется некоторым временем, определяющим его среднюю продолжительность. Процессы, вызванные слабыми взаимодействиями , часто называют "медленными", так как время для них относительно велико.

Читатель, правда, может удивиться тому, что явление, происходящее, скажем, за 10-6 (одну миллионную долю) секунды, классифицируется как медленное. Такое время жизни характерно, например, для распада мюона, вызванного слабыми взаимодействиями . Но все познается в сравнении. В мире элементарных частиц такой промежуток времени действительно весьма продолжителен. Естественной единицей длины в микромире служит 10-13 сантиметра - радиус действия ядерных сил. А так как элементарные частицы высокой энергии имеют скорость, близкую к скорости света (порядка 1010 сантиметров в секунду), то "нормальный" масштаб времени для них составит 10-23 секунды.

Это значит, что время 10-6 секунды для "граждан" микромира гораздо более продолжительно, чем для нас с вами весь период существования жизни на Земле

В 1896 г. французский ученый Анри Беккерель обнаружил радиоактивность урана. Это был первый экспериментальный сигнал о неизвестных до того силах природы - слабом взаимодействии. Теперь мы знаем, что слабое взаимодействие кроется за многими привычными явлениями, - например, оно принимает участие в некоторых термоядерных реакциях, поддерживающих излучение Солнца и других звезд.

Название «слабое» досталось этому взаимодействию по недоразумению, - так, для протона оно в 1033 раз сильнее гравитационного взаимодействия (см. Тяготение, Единство сия природы). Это, скорее, разрушительное взаимодействие, единственная сила природы, которая не скрепляет вещество, а только разрушает его. Можно было назвать его и «беспринципным», так как в разрушении оно не считается с принципами пространственной четности и временной обратимости, которые соблюдают остальные силы.

Основные свойства слабого взаимодействия стали известны еще в 1930-х гг., главным образом благодаря работам итальянского физика Э. Ферми. Оказалось, что, в отличие от гравитационных и электрических, слабые силы имеют очень малый радиус действия. В те годы казалось, что радиуса действия вообще нет - взаимодействие происходит в одной точке пространства, и к тому же мгновенно. Это взаимодействие виртуально (на короткое время) превращает каждый протон ядра в нейтрон, позитрон - в позитрон и нейтрино, а каждый нейтрон - в протон, электрон и антинейтрино. В стабильных ядрах (см. Ядро атомное) эти превращения так и остаются виртуальными, подобно виртуальным рождениям электрон-позитронных пар или протон-антипротонных пар в вакууме.

Если разница масс ядер, отличающихся на единицу по заряду, достаточно велика, эти виртуальные превращения делаются реальными, и ядро изменяет свой заряд на 1, выбрасывая электрон и антинейтрино (электронный -распад) или позитрон и нейтрино (позитронный -распад). Нейтроны имеют массу, превышающую приблизительно на 1 МэВ сумму масс протона и электрогна. Поэтому свободный нейтрон распадается на протон, электрон и антинейтрино с выделением энергии приблизительно 1 МэВ. Время жизни свободного нейтрона примерно 10 мин, хотя в связанном состоянии, например, в дейтоне, который состоит из нейтрона и протона, эти частицы живут неограниченно долго.

Аналогичное событие происходит с мюоном (см. Пептоны) - он распадается на электрон, нейтрино и антинейтрино. Перед тем как распасться, мюон живет около с - гораздо меньше, чем нейтрон. Теория Ферми объясняла это разницей масс участвующих частиц. Чем больше энергии выделяется при распаде, тем быстрее он идет. Выделение энергии при -распаде около 100 МэВ, примерно в 100 раз больше, чем при распаде нейтрона. Время жизни частицы обратно пропорционально пятой степени этой энергии.

Как выяснилось в последние десятилетия, слабое взаимодействие нелокально, т. е. оно происходит не мгновенно и не в одной точке. По современной теории, слабое взаимодействие передается не мгновенно, а виртуальная пара электрон - антинейтрино рождается через с после того, как мюон переходит в нейтрино, и происходит это на расстоянии см. Ни одна линейка, ни один микроскоп не могут, конечно, измерить такое малое расстояние, так же как ни один секундомер не может измерить такой малый интервал времени. Как это почти всегда бывает, в современной физике мы должны довольствоваться косвенными данными. Физики строят различные гипотезы о механизме процесса и проверяют всевозможные следствия этих гипотез. Те гипотезы, которые противоречат хотя бы одному достоверному опыту, отметаются, а для проверки оставшихся ставятся новые опыты. Этот процесс в случае слабого взаимодействия продолжался около 40 лет, пока физики не пришли к убеждению, что слабое взаимодействие переносится сверхмассивными частицами - в 100 раз тяжелее протона. Эти частицы имеют спин 1 и называются векторными бозонами (открыты в 1983 г. в ЦЕРНе, Швейцария - Франция).

Есть два заряженных векторных бозона и один нейтральный (значок вверху, как обычно, указывает заряд в единицах протонного). В распадах нейтрона и мюона «работает» заряженный векторный бозон . Ход распада мюона изображен на рис. (вверху, справа). Такие рисунки называют диаграммами Фейнмана, они не только иллюстрируют процесс, но и помогают его рассчитать. Это своего рода стенографическая запись формулы для вероятности реакции; здесь она используется только для иллюстрации.

Мюон переходит в нейтрино, испуская -бозон, который распадается на электрон и антинейтрино. Выделяемой энергии недостаточно для реального рождения -бозона, поэтому он рождается виртуально, т. е. на очень короткое время. В данном случае это с. За это время поле, соответствующее -бозону, не успевает сформировать волну, или иначе, реальную частицу (см. Поля и частицы). Образуется сгусток поля размером см, и через с из него рождаются электрон и антинейтрино.

Для распада нейтрона можно было бы нарисовать такую же диаграмму, но тут она уже ввела бы нас в заблуждение. Дело в том, что размер нейтрона см, что в 1000 раз больше радиуса действия слабых сил. Поэтому эти силы действуют внутри нейтрона, где находятся кварки. Один из трех кварков нейтрона испускает -бозон, переходя при этом в другой кварк. Заряды кварков в нейтроне: -1/3, - 1/ 3 и так что один из двух кварков с отрицательным зарядом -1/3 переходит в кварк с положительным зарядом . В результате получатся кварки с зарядами - 1/3, 2/3, 2/3, составляющие вместе протон. Продукты реакции - электрон и антинейтрино - беспрепятственно вылетают из протона. Но ведь кварк, испустивший -бозон. получил отдачу и начал двигаться в противоположном направлении. Почему же он не вылетает?

Его удерживает сильное взаимодействие. Это взаимодействие увлечет за кварком его двух неразлучных спутников, в результате чего получится движущийся протон. По аналогичной схеме происходят слабые распады (связанные со слабым взаимодействием) остальных адронов. Все они сводятся к испусканию векторного бозона одним из кварков, переходу этого векторного бозона в лептоны (, и -частицы) и дальнейшему разлету продуктов реакции.

Иногда, впрочем, происходят и адронные распады: векторный бозон может распасться на пару кварк - антикварк, которая перейдет в мезоны.

Итак, большое количество различных реакций сводится к взаимодействию кварков и лептонов с векторными бозонами. Это взаимодействие универсально, т. е. одинаково для кварков и лептонов. Универсальность слабого взаимодействия в отличие от универсальности гравитационного или электромагнитного взаимодействия не получила пока исчерпывающего объяснения. В современных теориях слабое взаимодействие объединяется с электромагнитным взаимодействием (см. Единство сил природы).

О нарушении симметрии слабым взаимодействием см. Четность, Нейтрино. В статье Единство сил природы рассказано о месте слабых сил в картине микромира