Слабо заемодејство

Слабо заемодејство — механизам одговорен за слабата сила или слабата јадрена сила, едно од четирите основни заемодејства во природата, заедно со силното заемодејство, електромагнетизмот и гравитацијата. Слабото заемодејство е одговорно за радиоактивниот распад и јадреното цепење на субатомските честички. Теоријата на слабото заемодејство понекогаш се нарекува квантна вкусодинамика, како што се поимите квантна хромодинамика и квантна електродинамика, но во практика овој поим многу ретко се користи бидејќи слабото заемодејство е најдобро објаснето преку електрослабата теорија.

Кај стандардниот модел од физиката на честичките, слабото заемодејство е предизвикано од оддавањето или впивањето на W и Z бозони. Сите познати фермиони заемодејствуваат преку слабото заемодејство. Фермионите се честички кои поседуваат спин, едно од основните својства на сите честички, со половина број. Фермионот може да биде елементарна честичка, како што е електронот, или пак може да биде сложена честичка, како што е протонот. Масата на W⁺, W⁻, и Z-бозоните е многу поголема од онаа на протоните и неутроните, предизвикувајќи го слабото замодејство кое има вијание на куси растојанија. Силата се именува како слаба бидејќи нејзиното поле на сила на дадено растојание е вообичаено неколку големини помало од она на силното заемодејство и електромагнетизмот.

За време на кварковата епоха, електрослабата сила се поделила на електромагнетни и слаби сили. Повеќето фермиони ќе се распаднат преку слабо заемодејство со текот на времето. Значајни примери се бета-распадот, и создавањето на деутериум од кој подоцна се добива хелиум од водородот начинот на кој се одвиваат јадрените процеси во Сонцето. Ваквиот распад го овозможува радиојаглеродното датирање, познато преку тоа што јаглерод-14 се распаѓа преку слабото заемодејство во азот-14. Може да создаде и радиолуминисценција, и се користи кај трициумското осветлување, и поврзаното поле на бетаволтаиците.

Кварковите, кои се составни делови на честичките како што се неутроните и протоните, кои ги има со шест „вкусови“ – горен, долен, чуден, волшебен, врвен и длабински – од кои овие честички ги добиваат своите својства. Слабото заемодејство е единствено на начинот на кои кварковите го менуваат нивниот вкус. На пример,бета минус распадот, долен кварк се распаѓа во горен кварк, со што неутронот се претвора во протон. Во продолжение, слабото заемодејство е единственото основно заемодејство кое го прекршува парност-симетријата, и на ист начин ја прекршува и CP-симетријата.

Историја

Во 1933 година, Енрико Ферми ја предложил првата теорија за слабото заемодејство, позната како Фермиево заемодејство. Тој предложил дека бета-распадот може да се објасни со заемодејството на четирите фермиони, вклучувајќи ја и контактната сила која нема досег.

Сепак, подобро е опишана како неконтактно силино поле кое има конечен досег, но сепак многу кус. Во 1968 година, Шелдон Глешоу, Абдус Салам и Стивен Вајнберг ја обединија електромагнетната сила со слабото заемодејство покажувајќи дека дека всушност двете заемодејства се една единствена сила, која денес се нарекува електрослаба сила.

Постоењето на W и Z бозоните не било потврденео сè до 1983 година.

Својства

Дијаграм на кој се прикажани различните начини на распад поради присуството на слабото заемодејство и на некој начин е показател на нивната сличност. Интензитетот на линиите е определен од CKM параметрите.

Слабото заемодејство е особенона повеќе начини:

1. Станува збор за единственото заемодејство способно за промена на вкусот на кварковите (пример, промената од еден во друг вид на кварк).
2. Единствено заемодејство кое ја нарушува P или парна симетрија. И е единственото кое ја нарушува CP симетријата.
3. Се пренесува од честички познати како баждарните бозони кои имаат значајна маса, невообичаено својство кое се објаснува со стандардниот модел од Хигсовиот механизам.

Поради нивната голема маса (приближно 90 GeV/c²) овие честички носители, именувани како W и Z бозони, кои имаат кус полупериод помал од 1×10⁻²⁴ секунди. Слабото заемодејство поседува константа на заемодејство (показател за силата на заемодејствотото) со вредност меѓу 10⁻⁷ и 10⁻⁶, која споредена со постојаната на силното заемодејство со вредност од околу 1 и постојаната на електромагнетното сврзување од околу 10⁻², па оттука следи дека слабото заемодејство е слабо во однос на силата. Слабото заемодејство има многу кус досег (околу 10⁻¹⁷–10⁻¹⁶ м). НА растојанија од околу 10⁻¹⁸ метри, слабоито заемодејство поседува сила со слична величина на онаа на електромагнетната сила, но на растојанија од околу 3×10⁻¹⁷ м, слабото заемодејство е 10.000 послабо од електромагнетната сила.

Слабото заемодејство ги опфаќа сите фермиони во стандардниот модел, како и кај Хигсовиот бозон, неутрината заемодејствуваат само преку гравитацијата и слабото заемодејство, и токму тие се првичната причина за името слаба сила на ова заемодејство. Слабото заемодејство не произведува сврзани состојби (не се вклучува и енергијата на сврзувањето) – нешто што гравитацијата го прави на астрономска големина, елетромагнетната сила го го прави на атомско ниво и силното заемодејство во внатрешноста на јадрото.

Најзабележителниот ефект се должи на првата особена одлика, промена на вкусот. Неутронот, на пример, е потежок од протонот, но не може да распадне во протон без притоа да се смени вкусот на еден од двата долни кваркови во горен кварк. Ни силното заемодејство ни електромагнетизмот дозволуваат да дојде до промена на вкусот, па затоа ова се одвива преку слабиот распад, без слабиот распад, својствата на кварковите како што се чудноста и волшебноста ќе бидат запазени преку сите заемодејства. Сите мезони се нестабилни поради слабиот распад. Во процесот познат како бета-распад, долен во внатрешноста на неутронот може да премине во горен кварк оддавајќи виртуелен
W−
бозон кој преминува во електрон а електронот во антинеутрино.

Поради големата маса на бозонот, слабиот распад е поневеројатен отколку силниот или електромагнетниот распад, и затоа е многу поредок настан. На пример, неутрален пион (кој се распаѓа електромагнетно) има живот од 10⁻¹⁶ секунди, додека пак наелектризиран пион (кој се распаѓа поради слабото заемодејство) има живот од 10⁻⁸ секунди, односно сто милиони пати подолг. За споредба, слободен неутрон (кој исто така се распаѓа преку слабото заемодејство) живее околу 15 минути.

Слаб изоспин и слаб хиперполнеж

Главна статија: Слаб изоспин

Лево-насочени фермиони кај стандардниот модел.

Семејство 1			Семејство 2			Семејство 3
Фермион	Симбол	Слаб изоспин	Фермион	Симбол	Слаб изоспин	Фермион	Симбол	Слаб изоспин
Електрон	$e^{-}\,$	$-1/2\,$	Мион	$\mu ^{-}\,$	$-1/2\,$	Тау	$\tau ^{-}\,$	$-1/2\,$
Електронско неутрино	$\nu _{e}\,$	$+1/2\,$	Мионско неутрино	$\nu _{\mu }\,$	$+1/2\,$	Тау неутрино	$\nu _{\tau }\,$	$+1/2\,$
Горен кварк	$u\,$	$+1/2\,$	Волшебен кварк	$c\,$	$+1/2\,$	Врвен кварк	$t\,$	$+1/2\,$
Долен кварк	$d\,$	$-1/2\,$	Чуден кварк	$s\,$	$-1/2\,$	Длабински кварк	$b\,$	$-1/2\,$
Сите лево насочени античестички имаат слаб изоспин еднаков на 0. Десно насочените античестички имаат спротивен слаб изоспин.

Сите честички имаат својство наречено слаб изоспин (T₃), кој се користи како квантен број и определува како честичката заемодејствува при слабото заемодејство. Слабиот изоспин има важна улога како што има електричниот полнеж во електромагнетизмот, и промената на боја при силното заемодејство. Сите фермиони имаат слаб изоспин со вредност од + ¹⁄₂ или − ¹⁄₂. На пример, горниот кварк има T₃ со вредност + ¹⁄₂ а долниот кварк со вредност − ¹⁄₂. Кваркот никогаш не се распаѓа преку слабото заемодејство во кварк од истата T₃: кварковите со T₃ со вредност + ¹⁄₂ се распаѓаат во кваркови со T₃ со вредност − ¹⁄₂ и обратно.

Распадот на
π+
преку слабото заемодејство.

При некое заемодејство, слабиот изоспин се зачувува: збирот од вредностите на слабиот изоспин кои се во заемодејство е еднакво на збирот вредностите слабиот изоспин на честичките кои произлегуваат од тоа заемодејство. На пример,
π+
, со слаб изоспин 1 се распаѓа на
ν
μ (+1/2) и
μ+
(+1/2).

Следејќи го развојот на електрослабата теорија, се појавува друго својство наречено слаб хиперполнеж. Овој полнеж зависи од електричниот полнеж на честичката и нејзиниот слаб изоспин и се дефинира како:

$\qquad Y_{W}=2(Q-T_{3})$

каде Y_W слабиот хиперполнеж на одреден тип на честичка, Q е електричниот полнеж и T₃ е слабиот изоспин. Сепак некои честички имаат слаб изоспин еднаков на 0, сите честички, со исклучок на глуоните,имаат хиперполнеж различен од 0. Слабиот хиперполнеж е создавателот на компонентата U(1) на електрослабата баждарна група.

Видови на заемодејства

Постојат два вида на слабо заемодејство (пресеци). Првиот вид се нарекува „заемодејство на набојана струја“ бидејќи е добиена од честички кои носат електричен полнеж (
W+
или
W−
бозони), и се смета за причина за бета-распадот. Вториот вид се нарекува „заемодејство на неутрална струја“ бидејќи е добиено од неутрална честичка, Z-бозон.

Заемодејство на набојна струја

Фејманов дијаграм за распадот бета минус на неутронот кој преминува во протон, електрон и електронско неутрино, преку посредниот тежок
W−
бозон

Вое еден вид на заемодејство на набојна струја, наелектризиран лептон (како што е електронот или мионот, со полнеж од −1) можат да впијат
W+
бозон (честичка со полнеж +1) и со тоа да се претвори во соодветното неутрино (со полнеж 0), каде видот на („семејството“) на неутрина (електронско, мионско или тау) е исто како и типот на лептонот во заемодејството, на пример:

$\mu ^{-}+W^{+}\to \nu _{\mu }$

На сличен начин, долен кварк (d со полнеж − ¹⁄₃) може да премине во горен кварк (u, со полнеж + ²⁄₃), со оддавање на
W−
бозон или пак впивајќи
W+
бозон. Попрецизно, долниот кварк станува квантна суперпозиција на горните кваркови: може да се каже, има можност да стане кој и да е од трите видови на горен кварк, каде веројатностите за секој поединечно се дадени во табелите на CKM матрицата. Соодветно, горен кварк може да оддаде
W+
бозон или впие
W−
бозон и на тој начин истиот да премине во долен кварк, на пример:

$d\to u+W^{-}$

$d+W^{+}\to u$

$c\to s+W^{+}$

$c+W^{-}\to s$

W-бозонот е нестабилен изато се распаѓа мошне брзо, т.е. има многу краток полураспад. На пример:

$W^{-}\to e^{-}+{\bar {\nu }}_{e}~$

$W^{+}\to e^{+}+\nu _{e}~$

Можен е распад на W-бозонот при кој се добиваат други производи, со променливи веројатности.

При т.н. бета-распад на неутронот (погледајте ја сликата, погоре), долен кварк во самиот неутрон оддава виртуелен
W−
бозон а со тоа е претворен во горен кварк, претворајќи го неутронот во протон. Бидејќи енергијата вклучена во овој процес (на пример, разликата на масата меѓу долен кварк и горен кварк),
W−
бозонот може само да се претвори во електрон и електронско антинеутрино. Гледано на ниво на кваркот, процесот може да се претстави како:

$d\to u+e^{-}+{\bar {\nu }}_{e}~$

Заемодејство на неутрална струја

При заемодејства на неутрална струја, кварк или лептон (на пример, електрон или пак мион) оддава или пак апсорбира Z-бозон. На пример:

$e^{-}\to e^{-}+Z^{0}$

Како и W-бозонот, така и Z-бозонот се распаѓа брзо, на пример:

$Z^{0}\to b+{\bar {b}}$

Електрослаба теорија

Главна статија: Електрослабо заемодејство

Стандардниот модел на честичките го опишува електромагнетното заемодејство и слабото заемодејство како две различни гледишта на електрослабото заемодејство, теорија која била развиена во 1968 година од страна на Шелдон Глешоу, Абдус Салам и Стивен Вајнберг. Истите се наградени со Нобелова награда за физика во 1979 година.Хигсовиот механизам обезбедува објаснување за присуството на три масивни баждарни бозони (носителите на слабото заемодејство) и безмасениот фотон на електромагнетното заемодејство.

Според електрослабата теорија, при многу високи енергии, универзумот има четири безмасени баждарни бозонски полиња слични на фотонот и сложеното двојно Хигсово поле. Сепак, при мали енергии, баждарната симетрија спонтано се нарушува поради U(1) симетријата на електромагнетизмот (едно од Хигсовите полиња побарува услов т.н.кондензат). Ова нарушување на симетријата ќе произведе три безмасени бозони, но тие се вградени од страна на трите налик фотонски полиња (преку Хигсовиот механизам) и со тоа стекнуваат маса. Овие три полиња станале
W+
,
W−
и Z-бозоните од слабото заемодејство, додека пак четвртото баждарно поле, кое и понатаму е без маса, е фотонот од електромагнетизмот.

Оваа теорија има направено голем броја на предвидувања, вклучувајќи го тука и предвидувањето на масите на Z и W пред истите да бидат откриени. На 4 јули 2012 година, екипите од CMS и ATLAS при Големиот хадронски судирач независно објавија дека го потврдиле откривањето на претходно непознатиот бозон со маса меѓу 125–127 GeV/c², чиее однесување се „поклопувало“ со она на Хигсовиот бозон, со предупредување дека се потребни понатамошни испитувања пред позитивно да се потврди дека новиот бозон е некакво вид на Хигсов бозон. На 14 март 2013 година, беше потврдено дека постои Хигсовиот бозон.

Нарушување на симетријата

леви и десни честички: p е импулсот на честичката и S е нејзиниот спин. Се забележува недостатокот на одбивна симетрија меѓу состојбите.

За законите на природата се сметало мошне долго дека се неменливи под огледалното одбивање, промената на сите просторни оски. Резултатите од опит гледан преку огледало се очекувало да бидат исти на резултатите од одбиената копија од огледалото на опитниот уред. Овој т.н. закон за запазување на парноста е познато дека се запазува од класичната гравитација, електромагнетизам и силното заемодејство, се сметало дека е сеопфатен закон. Сепак, во средината на 1950-ите Јанг Џенинг и Ли Џенгдао предложиле дека слабото заемодејство моќно е да го нарушува овој закон. Ву Чиеншиунг и соработниците во 1957 година откриле дека слабото заемодејство ја нарушува парноста, со што Јанг и Ли ја добиле Нобеловата награда за физика во 1957 година.

Иако слабото заемодејство се опишувало со Фермиовата теорија, откривањето на нарушувањето на парноста и теоријата за ренормализација покажала дека е потребен нов приод. Во 1957 година, Роберт Маршак и Џорџ Сударшан и нешто подоцна, Ричард Фајнман и Мари Гел-Mан предложиле V−A (вектор минус осен вектор или лево насочен) Лангранжијан за слабите заемодејства. Во оваа теорија, слабото заемодејство влијае само на лево насочените честички (и десно насочените честички). Бидејќи одбивањето од огледалото на лево насочените честички е десно насочено, со ова се објаснува целосното нарушување на парноста. Интересно, теоријата V−A е развиена пред откривањето на Z-бозонот, па затоа не ги вклучувало и десно насочените полиња кои влегуваат во заемодејства при неутралните струи.

Сепак, оваа теорија дозволила симетријата на соединенијата CP да се запази. CP ги вклучува P (менувањето од лево кон десно) заедно со полнежот C (менувањето на честичките со античестички). Физичарите биле повторно изненадени кога во 1964 година Џејмс Кронин и Вал Фитч обезбедиле чист доказ за каонските распади кои ја нарушувале и CP симетријата, со што ја добиле Нобеловата награда за физика во 1980 година. Во 1973 година, Макото Кобајаши и Тошихиде Маскава покажале дека нарушувањето на CP симетријата при слабото заемодејство побарува повеќе од две генерации на честички, со што го предвиделе постоењето на непознатата трета генерација. Ова нивно откритие им ја донело половината од Нобеловата награда за физика од 2008 година. За разлика од нарушуваењето на парноста, нарушувањето на CP симетријата се случува само при мал број на случаи, но останува жироко прифатен одговор на разликата меѓу количеството на материја и антиматерија во универзумот, и со тоа претставува еден од трите услови за бариогенеза на Андреј Сахаров.

Поврзано

• Универзум без слабо заемодејство