Heikko vuorovaikutus.K Fysiikka on edennyt hitaasti kohti heikon vuorovaikutuksen olemassaolon tunnistamista. Heikko voima on vastuussa hiukkasten hajoamisesta; ja siksi sen ilmentymä kohtasi radioaktiivisuuden löytämisen ja beetahajoamisen tutkimuksen.
Beta-hajoaminen on paljastanut erittäin oudon ominaisuuden. Tutkimus johti siihen johtopäätökseen, että tämä hajoaminen näytti rikkovan yhtä fysiikan peruslakia - energian säilymisen lakia. Näytti siltä, että osa energiasta katosi jonnekin. Energian säilymislain "pelastamiseksi" W. Pauli ehdotti, että beetahajoamisen aikana toinen hiukkanen lentää ulos elektronin mukana ja vie mukanaan puuttuvan energian. Se on neutraali ja sillä on epätavallisen korkea läpäisykyky, minkä vuoksi sitä ei voitu havaita. E. Fermi kutsui näkymätöntä hiukkasta "neutriinoksi".
Mutta neutriinojen ennustaminen on vasta alkua ongelmalle, sen muotoilulle. Oli tarpeen selittää neutriinojen luonne, mutta tässä jäi paljon mysteeriä. Tosiasia on, että epävakaat ytimet lähettivät elektroneja ja neutriinoja. Mutta on kiistattomasti todistettu, että ytimien sisällä ei ole sellaisia hiukkasia. Niiden esiintymisestä ehdotettiin, että elektronit ja neutriinot eivät ole ytimessä "valmiissa muodossa", vaan ne muodostuvat jotenkin radioaktiivisen ytimen energiasta. Lisätutkimukset osoittivat, että ytimeen sisältyvät omiin laitteisiinsa jätetyt neutronit hajoavat muutaman minuutin kuluttua protoniksi, elektroniksi ja neutriinoksi, ts. yhden hiukkasen sijaan ilmaantuu kolme uutta. Analyysi johti siihen johtopäätökseen tunnetut voimat ei voi aiheuttaa tällaista hajoamista. Sen ilmeisesti synnytti jokin muu, tuntematon voima. Tutkimukset ovat osoittaneet, että tämä voima vastaa jotain heikkoa vuorovaikutusta.
Heikko vuorovaikutus on huomattavasti pienempi kuin kaikki

muut vuorovaikutukset kuin gravitaatio, ja järjestelmissä, joissa sitä esiintyy, sen vaikutukset jäävät sähkömagneettisten ja voimakkaiden vuorovaikutusten varjoon. Lisäksi heikko vuorovaikutus etenee hyvin pienillä etäisyyksillä. Heikon vuorovaikutuksen säde on hyvin pieni. Heikko vuorovaikutus pysähtyy yli 10-16 cm:n etäisyydelle lähteestä, joten se ei voi vaikuttaa makroskooppisiin esineisiin, vaan rajoittuu mikrokosmukseen, subatomisiin hiukkasiin. Kun monien epävakaiden ydinhiukkasten lumivyörymäinen löytö alkoi, havaittiin, että useimmat niistä osallistuvat heikkoihin vuorovaikutuksiin.

Vahva vuorovaikutus. Viimeinen Perusvuorovaikutuksiin kuuluu vahva vuorovaikutus, joka on valtavan energian lähde. Tyypillisin esimerkki voimakkaasta vuorovaikutuksesta vapautuvasta energiasta on aurinko. Auringon ja tähtien syvyyksissä tapahtuu jatkuvasti voimakkaista vuorovaikutuksista johtuvia lämpöydinreaktioita. Mutta ihminen on myös oppinut vapauttamaan vahvan vuorovaikutuksen: luotu vetypommi, hallittuja lämpöydinreaktiotekniikoita on suunniteltu ja parannettu.
Fysiikka tuli ajatukseen vahvan vuorovaikutuksen olemassaolosta atomiytimen rakenteen tutkimisen aikana. Jonkin voiman täytyy pitää positiivisesti varautuneita protoneja ytimessä, estäen niitä lentämästä pois sähköstaattisen repulsion vaikutuksesta. Painovoima on liian heikko tarjoamaan tätä; Ilmeisesti tarvitaan jonkinlainen vuorovaikutus, lisäksi sähkömagneettista voimakkaampi. Se löydettiin myöhemmin. Kävi ilmi, että vaikka voimakas vuorovaikutus ylittää merkittävästi kaikki muut perustavanlaatuiset vuorovaikutukset laajuudeltaan, sitä ei tunneta ytimen ulkopuolella. Kuten heikon vuorovaikutuksen tapauksessa, toiminta-alue uutta voimaa osoittautui hyvin pieneksi: voimakas vuorovaikutus ilmenee ytimen koon määräämän etäisyyden päässä, ts. noin 10-13 cm Lisäksi kävi ilmi, että kaikki hiukkaset eivät koe voimakasta vuorovaikutusta. Siten protonit ja neutronit kokevat sen, mutta elektronit, neutriinot ja fotonit eivät ole sen alaisia. Yleensä vain raskaat hiukkaset osallistuvat voimakkaaseen vuorovaikutukseen. Se on vastuussa ytimien muodostumisesta ja monista alkuainehiukkasten vuorovaikutuksista.
Teoreettista selitystä vahvan vuorovaikutuksen luonteesta on ollut vaikea kehittää. Läpimurto tapahtui vasta 60-luvun alussa, kun kvarkkimallia ehdotettiin. Tässä teoriassa neutroneja ja protoneja ei pidetä alkuainehiukkasina, vaan kvarkeista rakennettuina komposiittisysteemeinä.

Gravitaatiovuorovaikutus on olemassa kaikkien alkuainehiukkasten välillä ja määrittää kaikkien kappaleiden vetovoiman toisiinsa millä tahansa etäisyydellä (katso universaalin painovoiman laki); se on mitättömän pieni mikrokosmoksen fysikaalisissa prosesseissa, mutta sillä on suuri rooli esimerkiksi kosmogoniassa. Heikko vuorovaikutus ilmenee vain noin 10-18 metrin etäisyyksillä ja aiheuttaa hajoamisprosesseja (esim. joidenkin alkuainehiukkasten beetahajoamista ja

ytimet). Sähkömagneettista vuorovaikutusta esiintyy millä tahansa etäisyydellä alkuainehiukkasten välillä, joilla on sähkövaraus tai magneettinen momentti; se määrittää erityisesti elektronien ja ytimien välisen yhteyden atomien välillä ja on myös vastuussa kaikenlaisesta sähkömagneettisesta säteilystä. Vahva vuorovaikutus ilmenee noin 10-15 metrin etäisyyksillä ja määrää atomiytimien olemassaolon.

Feynman-kaavio neutronin beetahajoamisesta protoniksi, elektroniksi ja elektroniantineutriinoksi välivaiheen W-bosonin kautta on yksi neljästä fysikaalisesta perusvuorovaikutuksesta alkuainehiukkasten välillä sekä gravitaatio, sähkömagneettinen ja vahva. Sen tunnetuin ilmentymä on beetan hajoaminen ja siihen liittyvä radioaktiivisuus. Vuorovaikutus nimetty heikko, koska sitä vastaavan kentän voimakkuus on 10 13 pienempi kuin ydinhiukkasia (nukleoneja ja kvarkkeja) yhdessä pitävillä kentillä ja 10 10 pienempi kuin Coulombin näillä asteikoilla, mutta paljon vahvempi kuin gravitaatio. Vuorovaikutus on lyhyt kantama ja se näkyy vain etäisyyksillä, jotka ovat atomiytimen koon suuruusluokkaa.
Ensimmäisen heikon vuorovaikutuksen teorian ehdotti Enrico Fermi vuonna 1930. Teoriaa kehitettäessä hän käytti Wolfgang Paulin hypoteesia uuden alkuainehiukkasen, neutrinon, olemassaolosta tuolloin.
Heikko vuorovaikutus kuvaa niitä ydin- ja hiukkasfysiikan prosesseja, jotka tapahtuvat suhteellisen hitaasti, toisin kuin vahvan vuorovaikutuksen aiheuttamat nopeat prosessit. Esimerkiksi neutronin puoliintumisaika on noin 16 minuuttia. – Ikuisuus verrattuna ydinprosesseihin, joille on ominaista aika 10 -23 s.
Vertailun vuoksi, ladatut pionit? ± heikkenevät heikon vuorovaikutuksen vuoksi ja niiden elinikä on 2,6033 ± 0,0005 x 10 -8 s, kun taas neutraali pioni? 0 hajoaa kahdeksi gamma-kvanttiksi sähkömagneettisen vuorovaikutuksen kautta ja sen elinikä on 8,4 ± 0,6 x 10 -17 s.
Toinen vuorovaikutuksen ominaisuus on hiukkasten vapaa reitti aineessa. Sähkömagneettisen vuorovaikutuksen kautta vuorovaikutuksessa olevat hiukkaset - varautuneet hiukkaset, gamma-kvantit - voidaan pysäyttää useiden kymmenien senttimetrien paksuisella rautalevyllä. Sen sijaan neutrino, joka vuorovaikuttaa vain heikosti, kulkee miljardi kilometriä paksun metallikerroksen läpi törmäämättä koskaan.
Heikko vuorovaikutus koskee kvarkeja ja leptoneja, mukaan lukien neutriinot. Tällöin hiukkasten aromi muuttuu, ts. heidän tyyppinsä. Esimerkiksi neutronin hajoamisen seurauksena yksi sen d-kvarkeista muuttuu u-kvarkiksi. Neutriinot ovat ainutlaatuisia siinä mielessä, että ne ovat vuorovaikutuksessa muiden hiukkasten kanssa vain heikkojen ja vielä heikompien gravitaatiovuorovaikutusten kautta.
Standardimallissa muotoiltujen nykyaikaisten käsitteiden mukaan heikkoa vuorovaikutusta kuljettavat mittaiset W- ja Z-bosonit, jotka löydettiin kiihdyttimestä vuonna 1982. Niiden massat ovat 80 ja 90 kertaa protonin massat. Virtuaalisten W-bosonien vaihtoa kutsutaan varautuneeksi virraksi, Z-bosonien vaihtoa kutsutaan neutraaliksi virraksi.
Feynman-kaavioiden huiput kuvaavat mahdollisia prosesseja W- ja Z-bosonit voidaan jakaa kolmeen tyyppiin:

Leptoni voi viprominoitua tai absorboida W-bosonin ja muuttua neutriinoksi;
kvarkki voi viprominoitua tai absorboida W-bosonin ja muuttaa sen makua, jolloin siitä tulee muiden kvarkkien superpositiota;
leptoni tai kvarkki voi absorboida tai viprominoida Z-bosonin

Hiukkasen kykyä heikkoon vuorovaikutukseen kuvaa kvanttiluku, jota kutsutaan heikoksi isospiniksi. Mahdolliset isospin-arvot hiukkasille, jotka voivat vaihtaa W- ja Z-bosoneja, ovat ± 1/2. Nämä hiukkaset ovat vuorovaikutuksessa heikon vuorovaikutuksen kautta. Hiukkaset, joilla on nolla heikko isospin ja joille W- ja Z-bosonien vaihtoprosessit ovat mahdottomia, eivät ole vuorovaikutuksessa heikon keskinäisyyden kautta. Heikko isospin säilyy alkuainehiukkasten välisissä reaktioissa. Tämä tarkoittaa, että kaikkien reaktioon osallistuvien hiukkasten kokonaisheikko isospin pysyy ennallaan, vaikka hiukkasten tyypit voivat muuttua.
Heikon vuorovaikutuksen piirre on, että se rikkoo pariteettia, koska vain fermionit, joilla on vasenkätinen kiraalisuus, ja fermionien antihiukkaset, joilla on oikeakätinen kiraalisuus, pystyvät olemaan heikosti vuorovaikutuksessa varautuneiden virtojen kautta. Yang Zhenning ja Li Zhengdao havaitsivat pariteetin säilymisen heikoissa vuorovaikutuksissa, mistä he saivat fysiikan Nobelin palkinnon vuonna 1957. Syy pariteetin säilymättömyyteen nähdään spontaanissa symmetrian rikkoutumisessa. Standardimallissa symmetrian rikkominen vastaa hypoteettista hiukkasta, Higgsin bosonia. Tämä on ainoa tavallisen mallin hiukkanen, jota ei ole vielä löydetty kokeellisesti.
Heikossa vuorovaikutuksessa myös CP-symmetria rikkoutuu. Tämä rikkomus havaittiin kokeellisesti vuonna 1964 kaonin kanssa tehdyissä kokeissa. Löydön tekijät James Cronin ja Val Fitch palkittiin Nobel-palkinto vuodelle 1980. CP-symmetrian säilymättä jättäminen tapahtuu paljon harvemmin kuin pariteettirikkomus. Se tarkoittaa myös, koska CPT-symmetrian säilyminen perustuu fysikaalisiin perusperiaatteisiin - Lorentzin muunnoksiin ja lyhyen kantaman vuorovaikutukseen, mahdollisuutta rikkoa T-symmetria, ts. ei-invarianssi fyysisiä prosesseja muuttamalla ajan suuntaa.

Vuonna 1969 rakennettiin yhtenäinen teoria sähkömagneettisesta ja heikosta ydinvuorovaikutuksesta, jonka mukaan 100 GeV:n energioilla, mikä vastaa lämpötilaa 10 15 K, ero sähkömagneettisten ja heikkojen prosessien välillä katoaa. Sähköheikon ja vahvan ydinvuorovaikutuksen yhtenäisen teorian kokeellinen todentaminen vaatii kiihdytinenergian lisäämistä sata miljardia kertaa.
Sähköheikon vuorovaikutuksen teoria perustuu SU(2)-symmetriaryhmään.
Huolimatta pieni määrä ja lyhytkestoinen, heikko vuorovaikutus on erittäin tärkeä rooli luonnossa. Jos olisi mahdollista "sammuttaa" heikko vuorovaikutus, aurinko sammuisi, koska protonin muuntaminen neutroniksi, positroniksi ja neutriinoksi, jonka seurauksena 4 protonia muuttuu 4 He, kaksi positroneja ja kahta neutriinoa, tulisi mahdottomaksi. Tämä prosessi toimii Auringon ja useimpien tähtien pääasiallisena energialähteenä (katso Vetykierto). Heikot vuorovaikutusprosessit ovat tärkeitä tähtien evoluution kannalta, koska ne aiheuttavat erittäin kuumien tähtien energian katoamista supernovaräjähdyksissä pulsarien syntyessä jne. Jos luonnossa ei olisi heikkoa vuorovaikutusta, myonit, pi-mesonit ja muut hiukkaset olisivat vakaita ja yleisiä tavallisissa aineissa. Niin tärkeä heikon vuorovaikutuksen rooli johtuu siitä, että se ei noudata useita voimakkaille ja sähkömagneettisille vuorovaikutuksille ominaisia kieltoja. Erityisesti heikko vuorovaikutus muuttaa varautuneet leptonit neutriinoiksi ja yhden maun kvarkit toisen maun kvarkeiksi.

Heikko vuorovaikutus

Tämä vuorovaikutus on heikoin perusvuorovaikutuksista, joita on kokeellisesti havaittu alkuainehiukkasten hajoamisissa, joissa kvanttivaikutukset ovat perustavanlaatuisesti merkittäviä. Muistakaamme, että gravitaatiovuorovaikutuksen kvanttiilmiöitä ei ole koskaan havaittu. Heikko vuorovaikutus erotetaan seuraavalla säännöllä: jos vuorovaikutusprosessiin osallistuu alkeishiukkanen nimeltä neutrino (tai antineutrino), tämä vuorovaikutus on heikko.

Heikko vuorovaikutus on paljon voimakkaampi kuin gravitaatiovuorovaikutus.

Heikko vuorovaikutus, toisin kuin gravitaatiovuorovaikutus, on lyhyen kantaman. Tämä tarkoittaa, että hiukkasten välinen heikko voima tulee voimaan vain, jos hiukkaset ovat riittävän lähellä toisiaan. Jos hiukkasten välinen etäisyys ylittää tietyn arvon, jota kutsutaan vuorovaikutussäteeksi, heikko vuorovaikutus ei ilmene. On kokeellisesti osoitettu, että heikon vuorovaikutuksen ominaissäde on noin 10-15 cm, eli heikko vuorovaikutus keskittyy etäisyyksille pienempiä kokoja atomiydin.

Miksi heikosta vuorovaikutuksesta voidaan puhua itsenäisenä perusvuorovaikutuksen tyyppinä? Vastaus on yksinkertainen. On osoitettu, että on olemassa alkuainehiukkasten muunnosprosesseja, jotka eivät pelkisty gravitaatioon, sähkömagneettiseen ja voimakkaaseen vuorovaikutukseen. Hyvä esimerkki, joka osoittaa, että niitä on kolme laadullisesti erilaisia vuorovaikutuksia ydinilmiöissä, jotka liittyvät radioaktiivisuuteen. Kokeet osoittavat kolmen läsnäolon erilaisia tyyppejä radioaktiivisuus: a-, b- ja g-radioaktiivinen hajoaminen. Tässä tapauksessa a-hajoaminen johtuu voimakkaasta vuorovaikutuksesta, g-hajoaminen johtuu sähkömagneettisesta vuorovaikutuksesta. Jäljelle jäävää b-hajoamista ei voida selittää sähkömagneettisella ja voimakkaalla vuorovaikutuksella, ja meidän on pakko hyväksyä toinen perustavanlaatuinen vuorovaikutus, jota kutsutaan heikoksi. Yleisesti ottaen heikon vuorovaikutuksen käyttöönoton tarve johtuu siitä, että luonnossa tapahtuu prosesseja, joissa sähkömagneettinen ja voimakas hajoaminen on säilymislakien kiellettyä.

Vaikka heikko vuorovaikutus keskittyy merkittävästi ytimeen, sillä on tiettyjä makroskooppisia ilmenemismuotoja. Kuten olemme jo todenneet, se liittyy b-radioaktiivisuusprosessiin. Lisäksi heikolla vuorovaikutuksella on tärkeä rooli niin sanotuissa lämpöydinreaktioissa, jotka vastaavat tähtien energian vapautumismekanismista.

Heikon vuorovaikutuksen hämmästyttävin ominaisuus on prosessien olemassaolo, joissa peilin epäsymmetria ilmenee. Ensi silmäyksellä näyttää ilmeiseltä, että vasen ja oikea käsitteiden ero on mielivaltainen. Itse asiassa painovoiman, sähkömagneettisen ja vahvan vuorovaikutuksen prosessit ovat muuttumattomia tapahtuvan spatiaalisen inversion suhteen. peilikuva. Sanotaan, että tällaisissa prosesseissa tilapariteetti P säilyy. Kuitenkin on kokeellisesti todettu, että heikot prosessit voivat edetä tilapariteetin säilymättä ja siksi ne näyttävät aistivan eron vasemman ja oikean välillä. Tällä hetkellä on olemassa vankkaa kokeellista näyttöä siitä, että pariteetin säilyminen heikkoissa vuorovaikutuksissa on luonteeltaan yleismaailmallista, se ei ilmene vain alkuainehiukkasten hajoamisissa, vaan myös ydin- ja jopa atomiilmiöissä. On tunnustettava, että peilien epäsymmetria on luonnon ominaisuus kaikkein perustavanlaatuisimmalla tasolla.

Kaikki varautuneet kappaleet, kaikki varautuneet alkuainehiukkaset osallistuvat sähkömagneettiseen vuorovaikutukseen. Tässä mielessä se on varsin universaali. Klassinen sähkömagneettisen vuorovaikutuksen teoria on Maxwellin sähködynamiikka. Elektronin varaus e otetaan kytkentävakioksi.

Jos tarkastellaan kahta pistevarausta q1 ja q2 levossa, niin niiden sähkömagneettinen vuorovaikutus pienenee tunnetuksi sähköstaattiseksi voimaksi. Tämä tarkoittaa, että vuorovaikutus on pitkän kantaman ja vaimenee hitaasti, kun varausten välinen etäisyys kasvaa. Varautunut hiukkanen lähettää fotonin, jolloin sen liiketila muuttuu. Toinen hiukkanen absorboi tämän fotonin ja muuttaa myös sen liiketilaa. Tämän seurauksena hiukkaset näyttävät aistivan toistensa läsnäolon. On hyvin tunnettua, että sähkövaraus on mittasuure. On kätevää ottaa käyttöön sähkömagneettisen vuorovaikutuksen dimensioton kytkentävakio. Tätä varten sinun on käytettävä perusvakioita ja c. Tuloksena saamme seuraavan dimensiottoman kytkentävakion, jota kutsutaan atomifysiikassa hienorakennevakioksi

On helppo nähdä, että tämä vakio ylittää merkittävästi painovoiman ja heikkojen vuorovaikutusten vakiot.

Nykyajan näkökulmasta sähkömagneettinen ja heikko vuorovaikutus edustavat yhden sähköheikon vuorovaikutuksen eri puolia. Sähköheikon vuorovaikutuksen yhtenäinen teoria on luotu - Weinberg-Salam-Glashow teoria, joka selittää kaikki sähkömagneettisen ja heikon vuorovaikutuksen aspektit yhtenäisestä paikasta. Onko mahdollista ymmärtää laadullisella tasolla, kuinka yhdistyneen vuorovaikutuksen jakautuminen erillisiksi, näennäisesti itsenäisiksi vuorovaikutuksiksi tapahtuu?

Niin kauan kuin ominaisenergiat ovat riittävän pieniä, sähkömagneettinen ja heikko vuorovaikutus eroavat toisistaan eivätkä vaikuta toisiinsa. Energian kasvaessa niiden keskinäinen vaikutus alkaa, ja riittävän suurilla energioilla nämä vuorovaikutukset sulautuvat yhdeksi sähköheikoksi vuorovaikutukseksi. Ominaisen yhdistämisenergian suuruusluokaksi arvioidaan 102 GeV (GeV on lyhenne sanoista gigaelektronivoltti, 1 GeV = 109 eV, 1 eV = 1,6 10-12 erg = 1,6 1019 J). Vertailun vuoksi todetaan, että vetyatomin perustilassa olevan elektronin ominaisenergia on noin 10-8 GeV, atomin ytimen tunnusomainen sitoutumisenergia on noin 10-2 GeV ja kiinteän aineen tunnusomainen sitoutumisenergia. on noin 10-10 GeV. Siten sähkömagneettisen ja heikon vuorovaikutuksen yhdistelmän ominaisenergia on valtava verrattuna atomi- ja ydinfysiikan ominaisenergioihin. Tästä syystä sähkömagneettiset ja heikot vuorovaikutukset eivät ilmene ainoana olemuksensa tavallisissa fysikaalisissa ilmiöissä.

Vahva vuorovaikutus

Vahva vuorovaikutus on vastuussa atomiytimien stabiilisuudesta. Koska useimmat atomiytimet kemiallisia alkuaineita ovat vakaat, on selvää, että vuorovaikutuksen, joka estää niitä rappeutumasta, täytyy olla melko vahvaa. On hyvin tunnettua, että ytimet koostuvat protoneista ja neutroneista. Positiivisesti varautuneiden protonien hajoamisen estämiseksi eri suuntiin on välttämätöntä, että niiden välillä on houkuttelevia voimia, jotka ylittävät sähköstaattisen hylkimisvoiman. Vahva vuorovaikutus on vastuussa näistä houkuttelevista voimista.

Vahvan vuorovaikutuksen ominaispiirre on sen varausriippumattomuus. Ydinvoimat protonien, neutronien ja protonin ja neutronin välillä ovat olennaisesti samat. Tästä seuraa, että voimakkaan vuorovaikutuksen näkökulmasta protoni ja neutroni eivät ole erotettavissa toisistaan ja niille käytetään yhtä termiä nukleoni eli ydinhiukkanen.

Olemme siis käyneet läpi perustiedot luonnon neljästä perusvuorovaikutuksesta. Näiden vuorovaikutusten mikroskooppiset ja makroskooppiset ilmenemismuodot on kuvattu lyhyesti, kuva fyysisiä ilmiöitä, jossa niillä on tärkeä rooli.

Vuonna 1896 ranskalainen tiedemies Henri Becquerel löysi radioaktiivisuuden uraanista. Tämä oli ensimmäinen kokeellinen signaali aiemmin tuntemattomista luonnonvoimista - heikosta vuorovaikutuksesta. Tiedämme nyt, että heikko voima on monien tuttujen ilmiöiden takana - esimerkiksi se osallistuu joihinkin lämpöydinreaktioihin, jotka tukevat Auringon ja muiden tähtien säteilyä.

Nimi "heikko" tuli tähän vuorovaikutukseen väärinkäsityksen vuoksi - esimerkiksi protonille se on 1033 kertaa vahvempi kuin gravitaatiovuorovaikutus (katso Gravity, This Unity of Nature). Tämä on pikemminkin tuhoisaa vuorovaikutusta, ainoa luonnonvoima, joka ei pidä ainetta koossa, vaan ainoastaan tuhoaa sen. Sitä voisi kutsua myös "periaatteettomaksi", koska se ei tuhoamisessa ota huomioon muiden voimien havaitsemia tilan pariteetin ja ajallisen palautuvuuden periaatteita.

Heikon vuorovaikutuksen perusominaisuudet tulivat tunnetuksi jo 1930-luvulla pääasiassa italialaisen fyysikon E. Fermin työn ansiosta. Kävi ilmi, että toisin kuin gravitaatio- ja sähkövoimilla, heikkojen voimien toiminta-alue on hyvin lyhyt. Noina vuosina näytti siltä, että toimintasädettä ei ollut ollenkaan - vuorovaikutus tapahtui yhdessä pisteessä avaruudessa ja lisäksi välittömästi. Tämä vuorovaikutus on virtuaalista (päällä lyhyt aika) muuntaa jokaisen ytimen protonin neutroniksi, positroni positroniksi ja neutriinoksi ja jokaisen neutronin protoniksi, elektroniksi ja antineutriinoksi. Vakavissa ytimissä (katso Atomiydin) nämä muutokset pysyvät virtuaalisina, kuten elektroni-positroniparien tai protoni-antiprotoni-parien virtuaalinen luominen tyhjiössä.

Jos ytimien massojen ero on riittävän suuri, nämä virtuaaliset muunnokset muuttuvat todellisiksi ja ydin muuttaa varaustaan 1:llä lähettäen elektronin ja antineutriinon (elektronin hajoaminen) tai positroni ja neutriino ( positronien hajoaminen). Neutronien massa on noin 1 MeV:lla suurempi kuin protonin ja elektronin massojen summa. Siksi vapaa neutroni hajoaa protoniksi, elektroniksi ja antineutriinoksi vapauttaen noin 1 MeV:n energiaa. Vapaan neutronin elinikä on noin 10 minuuttia, vaikka sitoutuneessa tilassa, esimerkiksi deuteronissa, joka koostuu neutronista ja protonista, nämä hiukkaset elävät loputtomasti.

Samanlainen tapahtuma tapahtuu myonin kanssa (katso peptonit) - se hajoaa elektroniksi, neutriinoksi ja antineutriinoksi. Ennen hajoamista myoni elää noin c - paljon vähemmän kuin neutroni. Fermin teoria selitti tämän mukana olevien hiukkasten massojen erolla. Mitä enemmän energiaa hajoamisen aikana vapautuu, sitä nopeammin se menee. Energian vapautuminen -hajoamisen aikana on noin 100 MeV, noin 100 kertaa suurempi kuin neutronin hajoamisen aikana. Hiukkasen elinikä on kääntäen verrannollinen tämän energian viidenteen potenssiin.

Kuten vuonna kävi ilmi viime vuosikymmeninä, heikko vuorovaikutus on epäpaikallinen, eli se ei tapahdu hetkessä eikä yhdessä pisteessä. Nykyajan teorian mukaan heikko vuorovaikutus ei välity välittömästi, vaan virtuaalinen elektroni-antineutrino-pari syntyy s sen jälkeen kun myon muuttuu neutriinoksi, ja tämä tapahtuu cm:n etäisyydellä tietysti mittaa niin pienen etäisyyden, aivan kuten mikään sekuntikello ei voi mitata niin pientä aikaväliä. Kuten lähes aina, modernissa fysiikassa meidän on tyytyttävä epäsuoraan dataan. Fyysikot rakentavat erilaisia hypoteeseja prosessin mekanismista ja testaavat näiden hypoteesien kaikenlaisia seurauksia. Hypoteesit, jotka ovat ristiriidassa ainakin yhden luotettavan kokeen kanssa, hylätään, ja loput testataan uusilla kokeilla. Tämä prosessi heikon vuorovaikutuksen tapauksessa jatkui noin 40 vuotta, kunnes fyysikot vakuuttuivat, että heikon vuorovaikutuksen kantavat supermassiiviset hiukkaset - 100 kertaa raskaampia kuin protoni. Näillä hiukkasilla on spin 1 ja niitä kutsutaan vektoribosoneiksi (löydettiin vuonna 1983 CERNissä, Sveitsissä - Ranskassa).

Varattuja vektoribosonia on kaksi ja yksi neutraali (yläosassa oleva kuvake, kuten tavallista, osoittaa varauksen protoniyksiköissä). Varautunut vektoribosoni "toimii" neutronin ja myonin hajoamisessa. Muonin hajoamisen kulku on esitetty kuvassa. (yllä, oikealla). Tällaisia piirustuksia kutsutaan Feynman-kaavioiksi, ne eivät vain kuvaa prosessia, vaan auttavat myös laskemaan sitä. Tämä on eräänlainen lyhenne reaktion todennäköisyyden kaavasta; sitä käytetään tässä vain havainnollistamistarkoituksessa.

Muoni muuttuu neutriinoksi, joka lähettää -bosonin, joka hajoaa elektroniksi ja antineutriinoksi. Vapautunut energia ei riitä -bosonin todelliseen syntymiseen, vaan se syntyy virtuaalisesti eli hyvin lyhyeksi ajaksi. IN tässä tapauksessa tämä on s. Tänä aikana -bosonia vastaavalla kentällä ei ole aikaa muodostaa aaltoa tai muuten todellista hiukkasta (katso Kentät ja hiukkaset). Muodostuu cm:n kokoinen kenttähyytymä, josta c:n jälkeen syntyy elektroni ja antineutrino.

Neutronin hajoamiselle olisi mahdollista piirtää sama kaavio, mutta tässä se jo johtaisi meidät harhaan. Tosiasia on, että neutronin koko on cm, mikä on 1000 kertaa suurempi kuin heikkojen voimien toimintasäde. Siksi nämä voimat toimivat neutronin sisällä, jossa kvarkit sijaitsevat. Yksi kolmesta neutronikvarkista lähettää -bosonin, joka muuttuu toiseksi kvarkiksi. Kvarkkien varaukset neutronissa ovat: -1/3, - 1/3, joten toinen kahdesta kvarkista, joiden negatiivinen varaus on -1/3, muuttuu kvarkiksi, jolla on positiivinen varaus. Tuloksena on kvarkkeja, joiden varaus on 1/3, 2/3, 2/3, jotka yhdessä muodostavat protonin. Reaktiotuotteet - elektroni ja antineutrino - lentävät vapaasti ulos protonista. Mutta se on kvarkki, joka lähetti -bosonin. sai potkun ja alkoi liikkua vastakkaiseen suuntaan. Miksei hän lennä ulos?

Sitä pitää koossa vahva vuorovaikutus. Tämä vuorovaikutus kuljettaa kvarkkia kahden erottamattoman kumppaninsa kanssa, mikä johtaa liikkuvaan protoniin. Samankaltaisen kaavion mukaan jäljelle jääneiden hadronien heikkoja hajoamisia (liittyen heikkoon vuorovaikutukseen) tapahtuu. Ne kaikki kiteytyvät yhden kvarkin vektoribosonin lähettämiseen, tämän vektoribosonin siirtymiseen leptoneiksi (ja -hiukkasiksi) ja reaktiotuotteiden laajenemiseen edelleen.

Joskus kuitenkin tapahtuu myös hadronin hajoamista: vektoribosoni voi hajota kvarkki-antikvarkki-pariksi, joka muuttuu mesoneiksi.

Niin, suuri määrä Erilaisten reaktioiden vaikutus johtuu kvarkkien ja leptonien vuorovaikutuksesta vektoribosonien kanssa. Tämä vuorovaikutus on universaalia, eli se on sama kvarkeille ja leptoneille. Heikon vuorovaikutuksen universaalisuus, toisin kuin gravitaatio- tai sähkömagneettinen vuorovaikutus, ei ole vielä saanut kattavaa selitystä. IN moderneja teorioita heikko vuorovaikutus yhdistetään sähkömagneettiseen vuorovaikutukseen (katso luonnonvoimien yhtenäisyys).

Symmetrian rikkomisesta heikon vuorovaikutuksen takia, katso Parity, Neutrinos. Artikkeli Luonnonvoimien yhtenäisyys puhuu heikkojen voimien paikasta mikromaailman kuvassa

Aika on kuin joki, joka kantaa ohimeneviä tapahtumia, ja sen virta on voimakas; Heti kun jokin ilmestyy silmiesi eteen, se on jo viety pois, ja voit nähdä jotain muuta, joka myös pian viedään.

Marcus Aurelius

Jokainen meistä pyrkii luomaan kokonaisvaltaisen kuvan maailmasta, mukaan lukien kuvan maailmankaikkeudesta, pienimmistä subatomisista hiukkasista suurimpaan mittakaavaan. Mutta fysiikan lait ovat joskus niin outoja ja intuitiivisia, että tämä tehtävä voi tulla ylivoimaiseksi niille, joista ei ole tullut ammattimaisia teoreettisia fyysikoita.

Lukija kysyy:

Vaikka tämä ei ole tähtitiedettä, voit ehkä antaa minulle vihjeen. Gluonit kantavat voimakasta voimaa ja sitovat kvarkit ja gluonit yhteen. Sähkömagneettista ainetta kuljettavat fotonit ja se sitoo sähköisesti varautuneita hiukkasia. Gravitaatio on oletettavasti gravitonien kuljettama ja se sitoo kaikki hiukkaset massaan. Heikkoa kuljettavat W- ja Z-hiukkaset, ja... liittyykö hajoamiseen? Miksi heikkoa voimaa kuvataan tällä tavalla? Onko heikko voima vastuussa hiukkasten vetovoimasta ja/tai hylkimisestä? Ja mitkä? Ja jos ei, miksi se on yksi perusvuorovaikutuksista, jos se ei liity mihinkään voimiin? Kiitos.

Otetaan perusasiat pois tieltä. Universumissa on neljä perusvoimaa - painovoima, sähkömagnetismi, vahva ydinvuorovaikutus ja heikko ydinvoima.

Ja kaikki tämä on vuorovaikutusta, voimaa. Hiukkasten, joiden tila voidaan mitata, voiman vaikutus muuttaa momenttiaan - in tavallista elämää tällaisissa tapauksissa puhutaan kiihtyvyydestä. Ja kolmelle näistä voimista tämä on totta.

Painovoiman tapauksessa energian kokonaismäärä (enimmäkseen massa, mutta tämä sisältää kaiken energian) taivuttaa aika-avaruutta, ja kaikkien muiden hiukkasten liike muuttuu kaiken, jolla on energiaa, läsnä ollessa. Näin se toimii klassisessa (ei-kvantti) painovoimateoriassa. Ehkä on olemassa yleisempi teoria, kvanttigravitaatio, jossa gravitonit vaihtuvat, mikä johtaa siihen, mitä havainnoimme gravitaatiovuorovaikutuksena.

Ennen kuin jatkat, ymmärrä:

Hiukkasilla on ominaisuus tai jokin niille luontainen ominaisuus, jonka avulla ne voivat tuntea (tai olla tuntematta) tietyn tyyppistä voimaa
Muut vuorovaikutusta kuljettavat hiukkaset ovat vuorovaikutuksessa ensimmäisten kanssa
Vuorovaikutusten seurauksena hiukkaset muuttavat momenttiaan tai kiihtyvät

Sähkömagnetismissa pääominaisuus on sähkövaraus. Toisin kuin painovoima, se voi olla positiivinen tai negatiivinen. Fotoni, hiukkanen, joka kuljettaa varaukseen liittyvää voimaa, saa samanlaiset varaukset hylkimään ja erilaiset varaukset vetämään puoleensa.

On syytä huomata, että liikkuvat varaukset tai sähkövirrat kokevat toisen sähkömagnetismin ilmentymän - magnetismin. Sama tapahtuu painovoiman kanssa, ja sitä kutsutaan gravitomagnetismiksi (tai gravitoelektromagnetismiksi). Emme mene syvemmälle - pointti on, että ei ole vain varausta ja voiman kantajaa, vaan myös virtoja.

On myös voimakas ydinvuorovaikutus, jossa on kolmenlaisia varauksia. Vaikka kaikilla hiukkasilla on energiaa ja ne ovat painovoiman alaisia, ja vaikka kvarkit, puolet leptoneista ja pari bosoneista sisältävät sähkövarauksia, vain kvarkeilla ja gluoneilla on värillinen varaus ja ne voivat kokea voimakkaan ydinvoiman.

Kaikkialla on paljon massoja, joten painovoima on helppo havaita. Ja koska voimakas voima ja sähkömagnetismi ovat melko vahvoja, ne on myös helppo havaita.

Mutta entä jälkimmäinen? Heikko vuorovaikutus?

Puhumme siitä yleensä radioaktiivisen hajoamisen yhteydessä. Raskas kvarkki tai lepton hajoaa kevyemmiksi ja vakaammiksi. Kyllä, heikolla vuorovaikutuksella on jotain tekemistä tämän kanssa. Mutta sisään tässä esimerkissä se on jotenkin erilainen kuin muut voimat.

Osoittautuu, että heikko vuorovaikutus on myös voima, siitä ei vain usein puhuta. Hän on heikko! 10 000 000 kertaa heikompi kuin sähkömagnetismi protonin halkaisijan verran.

Varautuneella hiukkasella on aina varaus, riippumatta siitä, liikkuuko se vai ei. Mutta sen luoma sähkövirta riippuu sen liikkeestä suhteessa muihin hiukkasiin. Virta määrittää magnetismin, joka on yhtä tärkeä kuin sähkömagnetismin sähköinen osa. Yhdistetyillä hiukkasilla, kuten protonilla ja neutronilla, on merkittäviä magneettisia momentteja, kuten elektronilla.

Kvarkeilla ja leptoneilla on kuusi makua. Kvarkit - ylös, alas, outoja, hurmattuja, hurmaavia, totta (niiden mukaan kirjainmerkinnät latinaksi u, d, s, c, t, b - ylös, alas, outo, hurmaa, ylhäältä, alhaalta). Leptonit - elektroni, elektroni-neutrino, myon, myon-neutrino, tau, tau-neutrino. Jokaisessa niistä on sähkövaraus, mutta myös tuoksu. Jos yhdistämme sähkömagnetismin ja heikon voiman saadaksemme sähköheikon voiman, niin jokaisella hiukkasella on heikko varaus tai sähköheikko virta ja heikko voimavakio. Kaikki tämä on kuvattu vakiomallissa, mutta sen testaaminen oli melko vaikeaa, koska sähkömagnetismi on niin vahvaa.

Uudessa kokeessa, jonka tulokset julkaistiin hiljattain, heikon vuorovaikutuksen vaikutusta mitattiin ensimmäistä kertaa. Kokeella oli mahdollista määrittää ylös- ja alas-kvarkkien heikko vuorovaikutus

Ja protonin ja neutronin heikot varaukset. Standardimallin ennusteet heikkoille latauksille olivat:

Q W (p) = 0,0710 ± 0,0007,
Q W (n) = -0,9890 ± 0,0007.

Ja sirontatulosten perusteella koe tuotti seuraavat arvot:

Q W (p) = 0,063 ± 0,012,
Q W (n) = -0,975 ± 0,010.

Mikä sopii hyvin yhteen teorian kanssa, kun otetaan huomioon virhe. Kokeilijat sanovat, että käsittelemällä enemmän tietoja he vähentävät virhettä entisestään. Ja jos tulee yllätyksiä tai poikkeavuuksia vakiomallista, se on siistiä! Mutta mikään ei viittaa tähän:

Siksi hiukkasilla on heikko varaus, mutta emme puhu siitä, koska sitä on epärealistisen vaikea mitata. Mutta teimme sen joka tapauksessa, ja näyttää siltä, että olemme vahvistaneet uudelleen vakiomallin.