Слабое взаимодействие

Стандартная модель физики частиц представляет собой единый каркас для описания электромагнитных, слабых и сильных взаимодействий. Взаимодействие происходит, когда две частицы (обычно, но не обязательно, фермионы с полуцелым спином) обмениваются бозонами с целым спином — переносчиками сил. Задействованные фермионы могут быть как элементарными (например, электроны, кварки), так и составными (например, протоны, нейтроны), хотя на глубоком уровне все слабые взаимодействия возникают именно между элементарными частицами.

В случае слабого взаимодействия фермионы могут обмениваться тремя типами переносчиков — W⁺, W⁻ и Z-бозоны. Массы этих бозонов значительно превышают массу протона или нейтрона, что объясняет малую дальность действия слабой силы^[3]. Собственно «слабой» это взаимодействие называется потому, что его напряжённость поля на заданном расстоянии на несколько порядков меньше, чем у электромагнитной силы, а последняя — на порядки меньше, чем у сильного ядерного взаимодействия.

Слабое взаимодействие — единственное фундаментальное взаимодействие, нарушающее симметрию паритета (P), а также, хотя и значительно реже, CP-симметрию (совместная симметрия заряда и паритета).

Кварки, составляющие такие частицы, как нейтроны и протоны, существуют в шести «флейворах» (ап, даун, чарм, странный, топ, боттом), которые определяют свойства составных частиц. Слабое взаимодействие уникально тем, что позволяет кваркам менять флейвор; эти превращения опосредуются соответствующими бозонами-переносчиками. Например, в ходе бета-минус-распада даун-кварк в нейтроне превращается в ап-кварк, в результате чего нейтрон превращается в протон, а также испускаются электрон и электронное антинейтрино.

Слабое взаимодействие играет важную роль в нуклеосинтезе звёзд, позволяя превращать протоны в нейтроны, что необходимо для образования дейтерия и, далее, гелия. Скопление нейтронов способствует наращиванию более тяжёлых ядер в звёзде^[3].

Большинство фермионов со временем распадаются посредством слабого взаимодействия. Благодаря такому распаду, например, возможно радиоуглеродное датирование, так как углерод-14 превращается через слабое взаимодействие в азот-14. Слабый распад ответственен и за явления радиолюминесценции (например, используемой в тритиевых источниках света), а также в сфере бетафольтаики^[4] (но не в случае радиевых красок).

Считается, что электрослабое взаимодействие отделилось на электромагнитную и слабую составляющие во время эпохи кварков ранней Вселенной.

В 1933 году Энрико Ферми предложил первую теорию слабого взаимодействия, известную как взаимодействие Ферми. Он предположил, что бета-распад может быть объяснён четырёхфермионным взаимодействием с контактной («бесконечно короткой») силой^[5][6].

В середине 1950-х Чэнь-Нин Ян и Цзундао Ли впервые предположили, что хиральность (направленность спина) частиц в слабом взаимодействии может нарушать законы сохранения или симметрию. В 1957 году эксперимент Ву, проведённый Чьен-Шиун Ву с коллегами, подтвердил нарушение симметрии паритета^[7].

В 1960-х Шелдон Глэшоу, Абдус Салам и Стивен Вайнберг объединили электромагнитное и слабое взаимодействия, показав, что это две стороны одной силы, которая получила название электрослабое взаимодействие^[8][9].

Экспериментальное подтверждение существования W- и Z-бозонов было получено только в 1983 году^[10].

Электрически заряженное слабое взаимодействие обладает рядом уникальных свойств:

• это единственное взаимодействие, способное менять флейвор кварков и лептонов (то есть превращать один тип кварка или лептона в другой);
• это единственное взаимодействие, нарушающее симметрию паритета (P), а также — единственное, нарушающее зарядово-паритетную симметрию (CP);
• как заряженное, так и нейтральное слабое взаимодействие опосредуются частицами-переносчиками с большой массой — необычная особенность, объясняемая механизмом Хиггса в Стандартной модели;
• протекающие под действием слабого взаимодействия процессы распада, такие как бета-распад, можно наблюдать только в отсутствии конкуренции с более быстрыми распадами через электромагнитное или сильное взаимодействие^[11].

Из-за большой массы переносчиков (около 90 ГэВ/c^2[12]), W- и Z-бозоны являются короткоживущими частицами с временем жизни менее чем секунда^[13]. Постоянная связь слабого взаимодействия (характеризующая вероятность взаимодействия) лежит между и, тогда как для электромагнитного взаимодействия она составляет примерно, а для сильного взаимодействия — примерно 1^[14]. Поэтому интенсивность слабого взаимодействия значительно меньше. Длина его действия — крайне мала (порядка — м, то есть 0,01-0,1 фемтометра)^[14][15]. На расстояниях около м (0,001 фемтометра) интенсивность слабого взаимодействия сопоставима с электромагнитной, но при увеличении расстояния убывает экспоненциально.

Слабое взаимодействие проявляется для всех фермионов Стандартной модели, а также бозона Хиггса. Нейтрино взаимодействуют только посредством слабого взаимодействия и гравитации. Слабое взаимодействие не формирует связанных состояний (bound states) и не связано с энергией связи, в отличие от других фундаментальных сил^[16].

Одна из главных особенностей слабого взаимодействия — смена флейвора; например, нейтрон тяжелее протона и может распадаться на протон через превращение одного из двух даун-кварков в ап-кварк, что невозможно для сильного или электромагнитного взаимодействий (так называемый «слабый распад»).

Все мезоны нестабильны из-за слабого распада^[10]. В процессе бета-распада даун-кварк в нейтроне преобразуется в ап-кварк с испусканием виртуального W⁻-бозона, который затем распадается на электрон и электронное антинейтрино. Другой пример — электронный захват, когда протон и электрон в атоме взаимодействуют и превращаются в нейтрон с испусканием электронного нейтрино.

Из-за высокой массы W-бозонов такие превращения, зависящие от слабого взаимодействия, обычно происходят гораздо медленнее, чем реакции, управляемые только сильным или электромагнитным взаимодействием. Например, нейтральный пион распадается электромагнитно за примерно секунд, а заряженный пион — только через слабое взаимодействие, и его жизнь составляет около секунд, то есть на восемь порядков больше. Свободный нейтрон распадается слабым взаимодействием за приблизительно 15 минут^[10].

Все частицы обладают свойством, называемым слабый изоспин (обозначается T₃), которое ограничивает их возможное взаимодействие с W-бозонами слабого взаимодействия. Слабый изоспин играет такую же роль для слабого взаимодействия, как электрический заряд — для электромагнитного, а цветовой заряд — для сильного взаимодействия. У левых фермионов значение слабого изоспина либо +1/2, либо −1/2; у правых — всегда 0. Например, ап-кварк имеет {{{1}}}, даун-кварк — T₃ = −1/2.

В любом сильном, электромагнитном или слабом взаимодействии слабый изоспин сохраняется (за исключением процессов с бозоном Хиггса). Сумма слабых изоспинов частиц до взаимодействия равна сумме после него. Например, левый пион π⁺ (T₃ = +1) обычно распадается на мюонное нейтрино (T₃ = +1/2) и мюон (T₃ = +1/2).

Для построения электрослабой теории также вводится слабый гиперзаряд, определяемый как:

${\displaystyle Y_{\text{W}}=2(Q-T_{3}),}$

где Y_W — слабый гиперзаряд частицы с электрическим зарядом Q и слабым изоспином T₃. Некоторым частицы имеют нулевой слабый изоспин, но все известные фермионы с полуцелым спином обладают ненулевым слабым гиперзарядом.

Существует два типа слабого взаимодействия (или «вершин»; англ. vertices). Первый — это заряженное токоносное взаимодействие, при котором слабо взаимодействующие фермионы формируют ток с ненулевым суммарным электрическим зарядом. Второй — нейтральное токоносное взаимодействие, где суммарный заряд тока равен нулю; оно, например, ответственно за (редкое) отклонение нейтрино. Эти типы взаимодействия подчиняются разным правилам отбора. Названия обычно относятся к заряду тока (фермионов), а не самих бозонов-переносчиков.

В одном из вариантов заряженного токоносного взаимодействия заряженный лептон (электрон или мюон) может поглотить W⁺-бозон (с зарядом +1) и превратиться в соответствующее нейтрино (заряд равен 0), причём тип нейтрино совпадает с лептоном:

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

Аналогично, даун-тип кварк (d, s, b, заряд −1/3) может стать ап-типом кварком (u, c, t, заряд +2/3) с испусканием W⁻-бозона или поглощением W⁺, с вероятностями, определяемыми матрицей ККМ. Обратно, ап-тип кварк может превратиться в даун-тип с помощью обмена W-бозонами:

${\displaystyle {\begin{aligned}\mathrm {d} &\to \mathrm {u} +W^{-}\\\mathrm {d} +W^{+}&\to \mathrm {u} \\\mathrm {c} &\to \mathrm {s} +W^{+}\\\mathrm {c} +W^{-}&\to \mathrm {s} \end{aligned}}}$

W-бозон нестабилен и быстро распадается; например:

${\displaystyle {\begin{aligned}W^{-}&\to e^{-}+{\bar {\nu }}_{e}\\W^{+}&\to e^{+}+\nu _{e}\\\end{aligned}}}$

В бета-распаде нейтрона описанный выше процесс приводит к появлению электрона и электронного антинейтрино вследствие малой энергии и массы квазар-точечных продуктов^[18]. На уровне кварков это:

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

В нейтральных токоносных процессах кварк или лептон испускает или поглощает нейтральный Z-бозон, например:

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

Подобно W-бозонам, Z-бозон также быстро распадается; например:

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

В отличие от заряженных токов, правила отбора для нейтрального W⁰-обмена менее жёсткие, и практически любой фермион может отклониться с помощью нейтрального тока, хотя интенсивность такого взаимодействия зависит от типа частицы.

Квантовое число слабый заряд (Q_w) в нейтральном токе играет роль электрического заряда для электромагнитного взаимодействия: оно характеризует величину векторной составляющей. Расчёт:

${\displaystyle Q_{\mathsf {w}}=2T_{3}-4Q\sin ^{2}\theta _{\mathsf {w}}}$

где \theta_\mathsf{w} — слабый угол смешивания (~29°). У заряженных лептонов слабый заряд близок к нулю, поэтому они взаимодействуют с Z-бозоном главным образом через аксиальную составляющую.

Стандартная модель объединяет электромагнитное и слабое взаимодействия как два аспекта одной электрослабой силы. Теория была разработана около 1968 года Шелдоном Глэшоу, Абдусом Саламом и Стивеном Вайнбергом, за что они получили Нобелевскую премию по физике в 1979 году^[19]. Механизм Хиггса объясняет существование трёх массивных калибровочных бозонов (W⁺, W⁻ и Z-бозонов — переносчиков слабого взаимодействия) и одного безмассового фотона (γ — переносчик электромагнитного взаимодействия)^[20].

Согласно теории, на высоких энергиях Вселенная имела четыре компонента поля Хиггса, которые взаимодействовали с четырьмя безмассовыми бозонами. При понижении энергии симметрия нарушается (спонтанно), и только три бозона становятся массивными (W⁺, W⁻, Z⁰), а фотон остаётся безмассовым^[20].

Этот подход позволил предсказать массы W- и Z-бозонов до их обнаружения в 1983 году.

4 июля 2012 года эксперименты CMS и ATLAS на Большом адронном коллайдере независимо подтвердили открытие ранее неизвестного бозона массой 125—127 ГэВ/c², поведение которого согласуется с предсказаниями для бозона Хиггса^[21].

В случае, если масштаб электрослабого нарушения симметрии был бы ниже, неразрушенная симметрия SU(2) могла бы стать конфинирующей. Альтернативные модели, где SU(2) становится конфинирующей, выше этого масштаба, количественно схожи со Стандартной моделью на низких энергиях, но резко отличаются при более высоких^[22].

Долгое время считалось, что законы природы инвариантны по отношению к зеркальному отражению (симметрии паритета). Это было справедливо для классической гравитации, электромагнетизма и сильного взаимодействия^[23], и потому предполагалась универсальность этого закона. Однако в 1950-х Ян и Ли предположили, что слабое взаимодействие может нарушать паритет. В 1957 Чьен-Шиун Ву с коллегами экспериментально показала это, а Ян и Ли получили за открытие Нобелевскую премию^[7].

Первоначально слабое взаимодействие описывалось теорией Ферми, но открытие нарушения паритета и развитие метода ренормализации показали её ограниченность. В 1957 Роберт Маршак и Джордж Сударшан, позднее Ричард Фейнман и Мюррей Гелл-Манн предложили лагранжиан V — A (вектор минус аксиальный вектор, или левый компонент), согласно которому слабое взаимодействие действует только на левые частицы (и правые античастицы). Это объясняет максимальное нарушение паритета. Однако в эту теорию не входили правые поля (указанные в нейтральном токе).

В этой конструкции возможно сохранение комбинированной симметрии CP (паритет + зарядовое сопряжение: замена частиц на античастицы). Однако в 1964 Джеймс Кронин и Вал Фитч экспериментально показали, что CP-симметрия также может быть нарушена (при распадах каонов), за что получили Нобелевскую премию в 1980 году^[24]. В 1973 Макото Кобаяси и Тосихидэ Маскава продемонстрировали, что для возникновения CP-нарушения в weak-обменах необходимо наличие трёх поколений частиц, тем самым предсказав существование третьего поколения до его экспериментального открытия^[25], за что получили половину Нобелевской премии 2008 года^[26].

В отличие от нарушения паритета, нарушение CP-симметрии встречается крайне редко, однако оно является одной из трёх необходимых по Сахарову условий появления барионной асимметрии Вселенной^[27].