Слабое взаимодействие в физике

Тема: Слабое взаимодействие в физике.

План:

 

Вступление 2

1. Слабые распады. 3

2. Слабые реакции. 4

3. Нейтринные массы и осцилляции. Двойной -распад ………………..….....5

4. Особенности  слабого  взаимодействия ……………….……………………..8

Заключение 9

Список  использованной литературы 10

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

Вступление

 

 

    Современные экспериментальные данные свидетельствуют, что существует только четыре качественно различных вида взаимодействий, в которых участвуют элементарные частицы. Эти взаимодействия называются фундаментальными, то есть самыми основными, исходными, первичными. Если принять во внимание все многообразие свойств окружающего нас Мира, то кажется совершенно удивительным, что в Природе есть только четыре фундаментальных взаимодействия, ответственных за все явления Природы.

    Помимо качественных различий, фундаментальные взаимодействия отличаются в количественном отношении по силе воздействия, которая характеризуется термином интенсивность. По мере увеличения интенсивности фундаментальные взаимодействия располагаются в следующем порядке: гравитационное, слабое, электромагнитное и сильное. Каждое из этих взаимодействий характеризуется соответствующим параметром, называемым константой связи, численное значение которого определяет интенсивность взаимодействия.

    В своей работе я собираюсь подробно раскрыть тему слабого взаимодействия в физике.

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

1. Слабые распады.

 

     В 1996 г. исполнится сто лет с тех пор, когда Беккерель обнаружил, что соли урана испускают проникающее излучение. В то время Беккерель не знал, но мы теперь знаем, что лучи, которые он наблюдал, были -лучи, т. е. электроны, испускаемые при радиоактивном распаде (у Беккереля это был -распад тория). Так был открыт -распад, так началась история исследования слабого взаимодействия. Другие лучи, открытые вскоре, -лучи, представляли собой ядра гелия, спонтанно испускаемые тяжелыми радиоактивными элементами. Опыты с -частицами привели к открытию ядра и ядерных сил. Таким образом, открытие радиоактивности положило начало исследованию как слабого, так и сильного взаимодействий. Можно сказать, что сильное и слабое взаимодействия имеют общий «день рождения».

    Первый этап изучения -распада завершился, когда в начале 30-х годов Паули под напором экспериментальных данных выдвинул гипотезу о том, что наряду с электронами при -распаде ядер испускаются легкие нейтральные частицы — нейтрино. Вскоре после этого Ферми опубликовал квантово-полевую теорию -распада. Согласно этой теории распад нейтрона происходит в результате взаимодействия двух токов. Один ток, как мы сказали бы теперь, адронный, переводит нейтрон в протон. Другой ток, лептонный, рождает пару: электрон + антинейтрино. Взаимодействие этих токов получило название четырехфермионного взаимодействия, поскольку в нем участвуют 4 фермиона.

    Константа четырехфермионного взаимодействия — константа Ферми — размерна: эрг-см³. В единицах , с=1: , где т_р — масса

протона. Константа Ферми мала в  ядерном масштабе. Поэтому малы вероятности процессов -распада, пропорциональные

    После открытия мюонов, -мезонов и, особенно, странных адронов выяснилось, что распады всех этих частиц, так же как и -распад ядер, вызваны слабым четырехфермионным взаимодействием с константой G_F. При этом широкий разброс времен жизни (мюон, например, живет две микросекунды, а нейтрон — примерно тысячу секунд) естественно объясняется различием в значениях энергии , выделяемой при распаде, поскольку вероятность распада пропорциональна

    Таким образом, было установлено, что слабое взаимодействие ответственно за все медленные распады элементарных частиц. Последующие исследования новых типов частиц (очарованных частиц, -лептона, В-мезонов) подтвердили этот универсальный характер слабого взаимодействия. В частности, полностью подтверждается приближенная закономерность для вероятностей распадов. Так, например, -лептон и очарованные мезоны примерно в 20 раз тяжелее, чем мюон. В соответствии с этим их времена жизни на 7 порядков меньше и составляют примерно с.

    Токи и принадлежат к классу так называемых заряженных токов. Этот термин используется в физической литературе вместо более громоздкого, но, может быть, более понятного термина «токи, меняющие электрический заряд участвующих в них частиц». В обоих токах заряд уменьшается на единицу: из нейтрального нейтрино получается отрицательно заряженный электрон, из протона — нейтрон. При такой интерпретации мы учитываем, что оператор уничтожает нейтрино, а оператор рождает электрон (и аналогично — для нуклонов). Но оператор v не только уничтожает нейтрино, но и рождает антинейтрино, так что можно сказать, что отрицательно заряженный ток рождает отрицательно заряженную пару; электрон+ антинейтрино. Он же уничтожает пару: позитрон + нейтрино.

    Наряду с токами и существуют сопряженные положительно заряженные токи и , увеличивающие электрический заряд участвующих в них частиц. Эти токи рождают положительно заряженные пары и уничтожают отрицательно заряженные пары фермионов.

-распадное взаимодействие, разумеется, сохраняет электрический заряд. В соответствии с этим его лагранжиан является произведением положительно заряженного тока и отрицательно заряженного тока . [1, C. 93]

 

2.  Слабые реакции.

 

    Взаимодействие токов и , постулированное Ферми в качестве причины (3-распада нейтрона (рис. 1): )должно приводить также к реакции превращения (рис. 2)

    Ведь, как мы уже знаем, рождение антинейтрино и уничтожение  нейтрино осуществляет один и тот же оператор.

                

Рис. 1                          Рис.   2

    Аналогичным образом, произведение сопряженных токов и дает распад протона (он происходит в некоторых ядрах, в которых энергия связи протона меньше энергии связи нейтрона) и реакцию v_ep-+ ne⁺.

Реакцию удалось впервые наблюдать лишь в 1956 г., используя поток антинейтрино, испускаемых ядерным реактором. Этот эксперимент, осуществленный группой Райнеса, положил начало изучению слабых реакций (до этого экспериментально наблюдались лишь слабые распады).

В 1962 г. в Брукхейвенской лаборатории (США) был успешно осуществлен первый ускорительный нейтринный эксперимент, в котором наблюдались неупругие столкновения нейтрино с атомными ядрами. Нейтринный пучок получался здесь при распадах быстрых -мезонов: и которые, в свою очередь, рождались при соударении пучка протонов с ядрами. В этом опыте было установлено, что мюонные и электронные нейтрино различны.

    В 1964 г. в Москве, в Институте теоретической и экспериментальной физики, в ядерной реакции, идущей под действием пучка нейтронов из ядерного реактора, впервые наблюдались слабые ядерные силы. На языке Ферми такие силы обусловлены взаимодействием тока с сопряженным током . Это открытие подтвердило выдвинутую задолго до этого гипотезу о том, что существует взаимодействие единого слабого заряженного тока со своим сопряженным током.

    Если бы весь заряженный ток состоял только из двух слагаемых , то в произведении было бы четыре слагаемых. В электронном -распаде проявляется слагаемое . В позитронном -распаде проявляется сопряженное слагаемое . В слабых ядерных силах — диагональное слагаемое . Другое диагональное слагаемое, , должно давать рассеяние электронных нейтрино на электронах. Этот процесс впервые удалось наблюдать на опыте лишь в 1976 г. Но к этому времени уже не оставалось сомнений, что схема «токXток» правильна. Только место нуклонов в токе заняли кварки, а лептонов стало больше.[1, C. 97]

 

3. Нейтринные массы и осцилляции. Двойной

-распад.

 

    Сравнивая между собой лептонные и кварковые токи, мы подчеркивали, что первые гораздо проще и что их простота связана с тем, что массы нейтрино равны нулю. Существует, однако, подозрение, что простота эта иллюзорна: что в действительности массы нейтрино отличны от нуля, что в вакууме имеют место переходы между различными типами нейтрино — так называемые нейтринные осцилляции и, более того, что нет столь уж резкой грани между нейтрино и антинейтрино.

    Прямые лабораторные эксперименты до последнего времени не давали никаких указаний на то, что массы нейтрино не равны нулю, но при этом высокая точность была достигнута лишь для электронных нейтрино: , <35 эВ. Верхние же пределы для мюонного и, особенно, -нейтрино гораздо хуже: 0,6 МэВ, 250 МэВ.

    Существует, правда, космологическое ограничение на массы всех 'сортов нейтрино, согласно которому сумма наверняка не превышает 100 эВ. Как заметили Герштейн и Зельдович, это ограничение вытекает из того, что, согласно теории большого взрыва, число реликтовых нейтрино должно быть примерно равно числу реликтовых фотонов. (Существование последних было открыто в 1965 г. Пензиасом и Вильсоном.) На каждый протон во Вселенной приходится примерно 10^е—10¹⁰ фотонов. Если нейтрино было бы столько же и если бы масса каждого нейтрино составляла, скажем, 100 эВ, то очевидно, что суммарная масса нейтринного газа во Вселенной на два-три порядка превосходила бы массу обычного вещества. Расчеты показывают, что такая высокая плотность должна была бы привести к более быстрой эволюции Вселенной и получающийся при этом возраст Вселенной оказался бы меньше, чем возраст некоторых горных пород на Земле. Следует учесть, однако, что космологическое ограничение на массы и перестает работать, если эти частицы достаточно быстро распадаются на .

    В 1980 г. были опубликованы результаты эксперимента, проведенного в Институте теоретической и экспериментальной физики в Москве, согласно которым масса электронного нейтрино отлична от нуля: 14 эВ 46 эВ. Этот вывод был сделан на основе измерения спектра электронов в -распаде трития:

    Когда электрон вылетает с энергией, близкой к максимальной, то кинетическая энергия нейтрино близка к нулю. Это создает оптимальные условия для обнаружения возможной массы нейтрино. Измеряя форму спектра электронов вблизи его верхней границы, экспериментаторы пришли к указанному выше результату. Распад .трития с его рекордно малым энерговыделением особенно подходит для таких измерений.

    В связи с вопросом о нейтринных массах возрос интерес к поискам двух явлений: нейтринных осцилляции и двойного -распада.

Впервые на возможность существования  нейтринных осцилляции указал в середине 50-х годов Понтекорво, вскоре после того, как Пайс и Пиччиони предсказали осцилляционные эффекты в пучках нейтральных K-мезонов. В настоящее время число работ, посвященных теоретическому обсуждению нейтринных осцилляции, исчисляется сотнями. В ряде лабораторий на ядерных реакторах и ускорителях идут экспериментальные поиски этого явления.

    Попытки наблюдать осцилляции на ускорителях также пока что не дали положительного результата. Не обнаружены осцилляции и у нейтрино, рожденных космическими лучами в атмосфере Земли. Наиболее точные измерения такого рода были осуществлены в Баксанской нейтринной обсерватории. Здесь наблюдали реакции, инициированные нейтрино, рожденными над Австралией и прошедшими сквозь земной шар. Несмотря на такой большой путь от источника до детектора, никаких признаков утечки (по сравнению с расчетным потоком нейтрино видно не было.

    Обычно лептоны характеризуют лептонным квантовым числом L, которое равно +1 для и —1 для  . В стандартной теории слабого взаимодействия лептонное число сохраняется. Если, однако, нейтрино обладают майорановыми массами, то лептонное число не сохраняется. При этом, вместо трех нейтрино и трех антинейтрино, мы имели бы дело с шестью истинно нейтральными, так называемыми майорановыми нейтрино. Входящие в слабые токи нейтральные состояния представляли бы собой суперпозиции этих майорановых нейтрино.

    Несохранение лептонного числа делает возможным очень своеобразное явление — безнейтринный двойной -распад. В обычном -распаде происходит слабый переход

 

                         

Рис. 3                                                  Рис.   4

одного d-кварка в один u-кварк. В отличие от этого, в двойном -распаде два d-кварка одновременно переходят в два u-кварка. Если при этом антинейтрино испускаются (рис. 3), то распад называется двухнейтринным ; если же виртуальное нейтрино, испущенное одним кварком, поглощается другим кварком (рис. 4), то распад называется безнейтринным . Последний процесс возможен, только если нейтрино майораново, так как лептонный заряд в этом процессе не сохраняется. Оба этих распада идут во втором порядке теории возмущений по константе слабого взаимодействия G_F, и поэтому ожидаемые времена полураспада , для них очень велики.

    Вероятность двухнейтринного распада можно рассчитать более или менее надежно. (Она сильно меняется от ядра к ядру, поскольку очень чувствительна к величине энерговыделения.) В отличие от этого, вероятность безнейтринного распада надежно предсказать нельзя, пока остаются неизвестными степень и механизм несохранения лептонного числа.

    Вопрос о том, какие частицы являются переносчиками слабого взаимодействия, долгое время был неясен. Понимания удалось достичь сравнительно недавно в рамках объединенной теории электрослабых взаимодействий - теории Вайнберга-Салама-Глэшоу. В настоящее время общепринято, что переносчиками слабого взаимодействия являются так называемые - и Z⁰-бозоны. Это заряженные и нейтральная Z⁰ элементарные частицы со спином 1 и массами, равными по порядку величины 100 m_p.[1, C. 102]

 

 

4. Особенности  слабого  взаимодействия.

 

    Отличительными признаками слабых процессов являются следующие.

1. Их слабость (медленность), выражающаяся в том, что вероятность этих  процессов   на  много  порядков  меньше вероятностей сильных и электромагнитных процессов.
2. Малый  радиус взаимодействия — как минимум  на два порядка меньший, чем радиус сильного взаимодействия. Ни в одном из слабых процессов не удалось до 1982 г. об наружить каких-либо отклонений  от точечного четырехфермионного взаимодействия.
3. Сильное, максимально возможное несохранение пространственной и зарядовой четностей. Так, в заряженные токи входят только левые компоненты спиноров, описывающих частицы, и только правые компоненты спиноров,описывающих античастицы.
4. Несохранение СР-четности.
5. Несохранение ароматов (странности, чарма и т. д.).
6. То обстоятельство, что только в слабых взаимодействиях принимают участие нейтрино.