Interacción débil.PARA para revelar la existencia de una interacción débil, la física progresó lentamente. Las interacciones débiles son responsables de la descomposición de las partículas; y por tanto, su manifestación se enfrentó al descubrimiento de la radiactividad y al estudio de la desintegración beta.
La desintegración beta tiene una característica extremadamente extraña. La investigación ha llevado a la conclusión de que esta descomposición parece violar una de las leyes fundamentales de la física: la ley de conservación de la energía. Parecía que parte de la energía estaba desapareciendo en alguna parte. Para "salvar" la ley de conservación de la energía, W. Pauli sugirió que durante la desintegración beta, una partícula más escapa junto con el electrón, llevándose consigo la energía faltante. Es neutral y tiene un poder de penetración inusualmente alto, por lo que no se la puede observar. E. Fermi llamó a la partícula invisible "neutrino".
Pero la predicción de neutrinos es solo el comienzo del problema, su formulación. Era necesario explicar la naturaleza del neutrino, pero quedaba mucho misterio aquí. El caso es que los núcleos inestables emitían electrones y neutrinos. Pero se ha demostrado de manera irrefutable que no existen tales partículas dentro de los núcleos. Se sugirió acerca de su origen que los electrones y neutrinos no existen en el núcleo en una "forma prefabricada", sino que de alguna manera se forman a partir de la energía de un núcleo radiactivo. Otros estudios demostraron que los neutrones que forman el núcleo, abandonados a sí mismos, en pocos minutos se desintegran en un protón, un electrón y un neutrino, es decir, en lugar de una partícula, aparecen tres nuevas. El análisis llevó a la conclusión de que las fuerzas conocidas no pueden causar tal desintegración. Él, aparentemente, fue generado por alguna otra fuerza desconocida. Los estudios han demostrado que una interacción débil corresponde a esta fuerza.
La interacción débil es significativamente más pequeña que todas

interacciones, excepto la gravitacional, y en los sistemas donde está presente, sus efectos están a la sombra de interacciones electromagnéticas y fuertes. Además, la interacción débil se extiende a distancias muy pequeñas. El radio de la interacción débil es muy pequeño. La interacción débil se detiene a una distancia superior a 10-16 cm de la fuente y, por lo tanto, no puede afectar a los objetos macroscópicos, sino que se limita al microcosmos, las partículas subatómicas. Cuando comenzó el descubrimiento similar a una avalancha de muchas partículas subnucleares inestables, se encontró que la mayoría de ellas participan en interacciones débiles.

Fuerte interacción. Último en una serie de interacciones fundamentales: interacción fuerte, que es una fuente de energía enorme. El ejemplo más común de energía liberada por interacciones fuertes es el sol. En las entrañas del Sol y las estrellas, las reacciones termonucleares ocurren continuamente, causadas por fuertes interacciones. Pero el hombre también aprendió a liberar una fuerte interacción: creó Bomba-H, se han diseñado y se están mejorando tecnologías de reacción termonuclear controlada.
La física abordó la idea de la existencia de una fuerte interacción en el curso del estudio de la estructura del núcleo atómico. Algún tipo de fuerza debe mantener los protones cargados positivamente en el núcleo, evitando que se dispersen bajo la influencia de la repulsión electrostática. La gravedad es demasiado débil para proporcionarla; obviamente, se necesita algún tipo de interacción, además, más fuerte que la electromagnética. Posteriormente fue descubierto. Resultó que, aunque en su magnitud, la interacción fuerte es significativamente superior a todas las demás interacciones fundamentales, no se siente fuera del núcleo. Como en el caso de la interacción débil, el radio de acción nueva fuerza resultó ser muy pequeño: una fuerte interacción se manifiesta a una distancia determinada por el tamaño del núcleo, es decir unos 10-13 cm. Además, resultó que no todas las partículas experimentan interacciones fuertes. Entonces, es probado por protones y neutrones, pero los electrones, neutrinos y fotones no están sujetos a él. Por lo general, solo las partículas pesadas participan en interacciones fuertes. Es responsable de la formación de núcleos y muchas interacciones de partículas elementales.
Ha sido difícil desarrollar una explicación teórica de la naturaleza de la interacción fuerte. Un gran avance se esbozó solo a principios de los años 60, cuando se propuso el modelo de quark. En esta teoría, los neutrones y los protones no se consideran partículas elementales, sino sistemas compuestos construidos por quarks.



Interacción gravitacional existe entre todas las partículas elementales y determina la atracción gravitacional de todos los cuerpos entre sí a cualquier distancia (ver gravedad universal ley); es insignificante en procesos fisicos en el microcosmos, pero juega un papel importante, por ejemplo, en la cosmogonía. Interacción débil se manifiesta solo a distancias de unos 10-18 my provoca procesos de desintegración (por ejemplo, desintegración beta de algunas partículas elementales y

núcleos). La interacción electromagnética existe a cualquier distancia entre partículas elementales que tienen carga eléctrica o momento magnético; en particular, determina el enlace entre electrones y núcleos en los átomos, y también es responsable de todo tipo de radiación electromagnética... La interacción fuerte se manifiesta a distancias de unos 10-15 my determina la existencia de núcleos atómicos.

INTERACCIÓN DÉBIL- uno de los cuatro fondos conocidos. interacciones Entre . C. pulg. mucho más débil que fuerte y el - magn. interacciones, pero mucho más fuertes que las gravitacionales. En los 80s. encontré que débil y el - magn. interacciones - descomp. manifestación de uno interacción electrodébil.

La intensidad de las interacciones se puede juzgar por la velocidad de los procesos de centeno que provoca. Por lo general, se comparan las velocidades de los procesos a energías de GeV, que son características de la física de partículas elementales. A tales energías, el proceso debido a una fuerte interacción ocurre en el tiempo s, el - magn. el proceso durante el tiempo, el tiempo característico de los procesos que ocurren a expensas del S. siglo. (procesos débiles), mucho más: c, de modo que en el mundo de las partículas elementales, los procesos débiles avanzan extremadamente lentamente.

Otra característica de la interacción son las partículas en la materia. Las partículas que interactúan fuertemente (hadrones) pueden ser retenidas por una placa de hierro de varias veces de espesor. decenas de centímetros, mientras que un neutrino que poseyera sólo una velocidad superficial pasaría, sin experimentar una sola colisión, a través de una placa de hierro de unos mil millones de kilómetros de espesor. Gravitats es aún más débil. interacción, cuya fuerza a una energía de ~ 1 GeV es 10 33 veces menor que la de un S. v. Sin embargo, generalmente el papel de la gravedad. La interacción es mucho más notoria que el papel de S. de siglo. Esto se debe al hecho de que los gravitatorios. la interacción, como la electromagnética, tiene un radio de acción infinitamente grande; por tanto, por ejemplo, los cuerpos situados en la superficie de la Tierra se ven afectados por la gravedad. la atracción de todos los átomos que componen la Tierra. La interacción débil tiene un alcance muy corto: aprox. 2 * 10-16 cm (que es tres órdenes de magnitud menor que el radio de interacción fuerte). Como resultado de esto, por ejemplo, S. century. entre los núcleos de dos átomos vecinos, ubicados a una distancia de 10 -8 cm, es insignificante, incomparablemente más débil no solo electromagnético, sino también gravitacional. interacciones entre ellos.

Sin embargo, a pesar de su pequeño tamaño y actuación a corto plazo, S. century. juega un papel muy importante en la naturaleza. Entonces, si fuera posible "apagar" la energía solar, el sol se apagaría, ya que el proceso de transformación de un protón en neutrón, positrón y neutrino sería imposible, por lo que cuatro protones son convertido en 4 He, dos positrones y dos neutrinos. Este proceso sirve de base. la fuente de energía del Sol y la mayoría de las estrellas (ver. Ciclo de hidrógeno C. procesos. con la emisión de neutrinos son generalmente extremadamente importantes en evolución de las estrellas, ya que provocan pérdidas de energía en estrellas muy calientes, en explosiones de supernovas con formación de púlsares, etc. Si no hubiera supernovas, muones, -mesones, partículas extrañas y encantadas que se desintegran como consecuencia del S. siglo. Un papel tan importante de SE está relacionado con el hecho de que no obedece a una serie de prohibiciones características de los fuertes y los el-magn. interacciones. En particular, S. v. convierte leptones cargados en neutrinos y un tipo (sabor) en quarks de otros tipos.

La intensidad de los procesos débiles crece rápidamente al aumentar la energía. Entonces, desintegración de neutrones beta, la liberación de energía en la habitación es pequeña (~ 1 MeV), dura aprox. 10 3 s, que es 10 13 veces más que la vida útil de un hiperón, cuya energía liberada durante la desintegración es de ~ 100 MeV. La sección transversal para la interacción con nucleones para neutrinos con una energía de ~ 100 GeV es de aprox. un millón de veces más que los neutrinos con una energía de ~ 1 MeV. Según el teórico. representaciones, el crecimiento de la sección transversal durará hasta energías del orden de varias. cientos de GeV (en el centro de masa de partículas en colisión). En estas energías y en grandes transferencias de impulso, los efectos asociados con la existencia de bosones vectoriales intermedios... A distancias entre partículas en colisión, mucho menos de 2 * 10-16 cm (la longitud de onda de Compton de los bosones intermedios), S. in. y e - magn. las interacciones tienen casi la misma intensidad.

Naib. un proceso generalizado causado por S. siglo, - desintegración beta núcleos atómicos radiactivos. En 1934, E. Fermi (E. Fermi) construyó una teoría de la descomposición, bordeando con algunas criaturas. modificaciones formaron la base de la teoría posterior de la llamada. S. cuatro-fermiónico local universal del siglo. (Interacciones de Fermi). Según la teoría de Fermi, el electrón y los neutrinos (más precisamente) que escapaban del núcleo radiactivo no estaban en él antes, sino que aparecieron en el momento de la desintegración. Este fenómeno es análogo a la emisión de fotones de baja energía (luz visible) por átomos excitados o fotones de alta energía (cuantos) de núcleos excitados. La razón de tales procesos es la interacción de eléctricos. partículas con electroimán. campo: una partícula cargada en movimiento crea una corriente electromagnética que perturba el electroimán. campo; como resultado de la interacción, la partícula transfiere energía a los cuantos de este campo: los fotones. Interacción de fotones con electroimán. la corriente se describe mediante la expresión A... Aquí mi- elemental eléctrico carga, que es una constante e-magn. interacciones (ver. Constante de acoplamiento), А es el operador del campo de fotones (es decir, el operador de creación y aniquilación de un fotón), j em es el operador de la densidad del electroimán. Actual. (A menudo, la expresión de la corriente magnética electrónica también incluye un factor mi.) Todos los cargos contribuyen a j em. partículas. Por ejemplo, el término correspondiente a un electrón tiene la forma :, donde es el operador de la aniquilación de un electrón o la creación de un positrón, y a es el operador de la creación de un electrón o la aniquilación de un positrón. [Para simplificar, no se muestra arriba que j uh, así como A, es un vector de cuatro dimensiones. Más precisamente, en lugar de escribir un conjunto de cuatro expresiones donde: Matriz de Dirac,= 0, 1, 2, 3. Cada una de estas expresiones se multiplica por el componente correspondiente del vector 4D.]

Interacción describe no solo la emisión y absorción de fotones por electrones y positrones, sino también procesos tales como la producción de pares electrón-positrón por fotones (ver. El nacimiento de parejas)o aniquilación estos pares en fotones. Intercambio de fotones entre dos cargas. partículas conduce a su interacción entre sí. Como resultado, surge, por ejemplo, la dispersión de un electrón por un protón, que se representa esquemáticamente Diagrama de Feynman mostrado en la Fig. 1. En la transición de un protón en un núcleo de un nivel a otro, la misma interacción puede conducir a la creación de un par electrón-positrón (Fig. 2).

La teoría de la desintegración de Fermi es esencialmente análoga a la teoría del electroimán. Procesos. Fermi basó la teoría en la interacción de dos "corrientes débiles" (ver Sec. Actual en la teoría cuántica de campos), pero interactuando entre sí no a distancia a través del intercambio de una partícula, un cuanto del campo (un fotón en el caso de una interacción electromagnética), sino por contacto. Esta es la interacción entre cuatro campos fermiónicos (cuatro fermiones p, n, e y neutrinos v) en los tiempos modernos. la notación tiene la forma: ... Aquí G F- Constante de Fermi, o constante de interacción débil de cuatro fermiones, ej. valor de enjambre ergio * cm 3 (la cantidad tiene la dimensión del cuadrado de la longitud, y en unidades la constante , dónde METRO es la masa de protones), es el operador de creación de protones (aniquilación de antiprotones), - el operador de aniquilación de neutrones (creación de antineutrones), - el operador de creación de electrones (aniquilación de positrones), v - operador de aniquilación de neutrinos (producción de antineutrinos). (Aquí y en lo que sigue, los operadores de creación y aniquilación de partículas se indican mediante los símbolos de las partículas correspondientes, escritos en negrita.) La corriente que convierte el neutrón en protón se denominó más tarde nucleónica y la corriente, leptón. Fermi postuló eso, como e - magn. corriente, las corrientes débiles también son vectores de cuatro dimensiones: por lo tanto, la interacción de Fermi se llama. vector.

Similar a la creación de un par electrón-positrón (Fig. 2), la desintegración de neutrones se puede describir mediante un diagrama similar (Fig. 3) [las antipartículas están marcadas con una "tilde" sobre los símbolos de las partículas correspondientes]. La interacción de las corrientes de leptones y nucleones debería conducir a otros procesos, por ejemplo. a la reacción (fig.4), a pares (fig.5) y etc.

Criaturas. la diferencia entre corrientes débiles y electromagnéticas es que una corriente débil cambia la carga de partículas, mientras que un electroimán. la corriente no cambia: una corriente débil convierte un neutrón en un protón, un electrón en un neutrino y una electromagnética deja un protón como protón y un electrón como electrón. Por tanto, las corrientes débiles se denominan ev. corrientes cargadas... De acuerdo con este término de lógica, un imán electrónico ordinario. su corriente es corriente neutra.

La teoría de Fermi se basó en los resultados de una investigación en tres de diciembre. áreas: 1) experimental. estudios del siglo adecuado de S. (-decaimiento), lo que llevó a la hipótesis de la existencia de neutrinos; 2. Experimental estudios de interacción fuerte (), que llevaron al descubrimiento de protones y neutrones y al entendimiento de que los núcleos están compuestos por estas partículas; 3) experimento. y teórico. investigación el - magn. interacciones, como resultado de las cuales se sentaron las bases de la teoría cuántica de campos. Un mayor desarrollo de la física de las partículas elementales ha confirmado repetidamente la fructífera interdependencia de los estudios del fuerte, el débil y el electroimán. interacciones.

La teoría de S. universales de cuatro fermiones en. se diferencia de la teoría de Fermi en una serie de esencias, puntos. Estas diferencias, establecidas a lo largo de los años posteriores como resultado del estudio de partículas elementales, se redujeron a lo siguiente.

La hipótesis de que S. en. no conserva la paridad, fue propuesto por Lee Tsung-Dao y Yang Chen Ning en 1956 con teórico. investigación de la descomposición Mesones K; pronto no conservación R- y las paridades C se descubrieron experimentalmente en la desintegración de núcleos [Wu Chien-Shiung con compañeros de trabajo], en la desintegración del muón [R. Garvin (R. Garwin), L. Lederman (L. Lederman), V. Telegdi (V. Telegdi), J. Friedman (J. Friedman) y otros] y en las desintegraciones de otras partículas.

Resumiendo un gran experimento. material, M. Gell-Mann (M. Gell-Mann), P. Feynman (R. Feynman), P. Marshak (R. Marshak) y E. Sudarshan (E. Sudarshan) en 1957 propusieron la teoría de S. siglo. - así llamado. V - A-teoría. En la formulación basada en la estructura de quarks de los hadrones, esta teoría es que la corriente cargada débil total j u es la suma de las corrientes de leptones y quarks, y cada una de estas corrientes elementales contiene la misma combinación de matrices de Dirac:

Como resultó más tarde, el cargo. la corriente de leptones, representada en la teoría de Fermi por un término, es la suma de tres términos: y cada uno de los cargos conocidos. leptones (electrones, muones y lepton pesado) está incluido en el cargo. actual con su neutrino.

Cargando. la corriente hadrónica, representada por el término en la teoría de Fermi, es la suma de las corrientes de los quarks. Para 1992, hay cinco tipos de quarks , a partir del cual se construyen todos los hadrones conocidos, y la existencia del sexto quark ( t con Q =+ 2/3). Las corrientes de quarks cargadas, como las corrientes de leptones, generalmente se escriben como la suma de tres términos:

Sin embargo, aquí hay combinaciones lineales de los operadores. d, s, b, de modo que la corriente cargada del quark consta de nueve términos. Cada una de las corrientes es la suma de las corrientes vectoriales y axiales con coeficientes iguales a la unidad.

Los coeficientes de nueve corrientes de quarks cargadas generalmente se representan en forma de una matriz de 3x3, que está parametrizada por tres ángulos y un factor de fase que caracteriza la violación. Invariancia CP en débiles decaimientos. Esta matriz fue nombrada. Matrices de Kobayashi-Maskawa (M. Kobayashi, T. Maskawa).

Lagrangian S.V. corrientes cargadas tiene la forma:

Devorador, conjugado, etc.). Tal interacción de corrientes cargadas describe cuantitativamente una gran cantidad de procesos débiles: leptón, semileptón ( etc.) y absurdo ( ,, etc.). Muchos de estos procesos se descubrieron después de 1957. Durante este período, también se descubrieron dos fenómenos fundamentalmente nuevos: la violación de la invariancia CP y las corrientes neutrales.

La violación de la invariancia CP se descubrió en 1964 en el experimento de J. Christenson, J. Cronin, V. Fitch y R. Turley, quienes observaron la desintegración de los mesones K ° de larga vida en dos mesones. Posteriormente, también se observó una violación de la invariancia CP en las desintegraciones semileptónicas. Para dilucidar la naturaleza de la interacción CP-no invariante, sería extremadamente importante encontrar k - l. Proceso CP-no invariante en desintegraciones o interacciones de otras partículas. En particular, las búsquedas del momento dipolar del neutrón son de gran interés (cuya presencia significaría una violación de la invariancia con respecto a inversión del tiempo, y por tanto, según el teorema CPT y CP-invariancia).

La existencia de corrientes neutras fue predicha por la teoría unificada del débil y el electroimán. interacciones creadas en los años 60. Sh. Glashow, S. Weinberg, A. Salam y otros y más tarde recibió el nombre. teoría estándar de la interacción electrodébil. Según esta teoría, S. siglo. no es una interacción de contacto de corrientes, sino que se produce a través del intercambio de bosones vectoriales intermedios ( W +, W -, Z 0) - partículas masivas con spin 1. En este caso, los bosones interactúan con la carga. corrientes (Fig.6), y Z 0-cabos - neutros (Fig.7). En la teoría estándar, tres bosones intermedios y un fotón son cuantos vectores, los llamados. campos de calibre actuando en transferencias asintóticamente grandes del momento de cuatro dimensiones (, m z, dónde m w, m z- masas W- y bosones Z en energético. unidades) es completamente igual. Las corrientes neutras se descubrieron en 1973 en la interacción de neutrinos y antineutrinos con nucleones. Posteriormente, se encontraron los procesos de dispersión de un neutrino muón por un electrón, así como los efectos de no conservación de paridad en la interacción de electrones con nucleones, provocados por una corriente de electrones neutros (estos efectos se observaron por primera vez en experimentos sobre no conservación de paridad durante transiciones atómicas realizadas en Novosibirsk por LMBarkov y M. S. Zolotoryev, así como en experimentos sobre la dispersión de electrones por protones y deuterones en los Estados Unidos).

La interacción de corrientes neutras está descrita por el término correspondiente en el Lagrangiano del C.V .:

donde es un parámetro adimensional. En la teoría estándar (el valor p experimental coincide con 1 dentro del uno por ciento de la precisión experimental y la precisión del cálculo correcciones de radiación)... La corriente neutra débil total contiene las contribuciones de todos los leptones y todos los quarks:

Una propiedad muy importante de las corrientes neutras es que son diagonales, es decir, transfieren leptones (y quarks) a sí mismas y no a otros leptones (quarks), como en el caso de las corrientes cargadas. Cada una de las 12 corrientes neutras de quarks y leptones es una combinación lineal de la corriente axial con el coeficiente. Yo 3 y corriente vectorial con coef. , dónde Yo 3- la tercera proyección de la llamada. débil giro isotópico, Q- carga de partículas, y - Ángulo de Weinberg.

La necesidad de la existencia de cuatro campos vectoriales de bosones intermedios W +, W -, Z 0 y fotones A puedes explicar el rastro. camino. Como saben, en e - magn. Interacción de eléctrico. La carga juega un doble papel: por un lado, es una cantidad conservada y, por otro, una fuente de un electroimán. campo que interactúa entre partículas cargadas (la constante de interacción mi)... Este papel es eléctrico. La carga la proporciona el medidor, que consiste en que las ecuaciones de la teoría no cambian cuando las funciones de onda de las partículas cargadas se multiplican por un factor de fase arbitrario en función del punto espacio-temporal [local simetría U (1)], y al mismo tiempo el - magn. el campo, que es un indicador, se transforma. Transformaciones de grupos locales U (1) con un tipo de carga y un campo de calibre conmutan entre sí (dicho grupo se llama abeliano). La propiedad especificada es eléctrica. cargo sirvió como punto de partida para la construcción de teorías y otros tipos de interacciones. En estas teorías, las cantidades conservadas (p. Ej., Espín isotópico) son simultáneamente fuentes de ciertos campos de calibre que transfieren interacciones entre partículas. En el caso de varios. tipos de "cargas" (por ejemplo, dif. proyecciones de espín isotópico), cuando se separa. las transformaciones no se conmutan entre sí (grupo de transformación no abeliano), resulta necesario introducir varias. campos de calibración. (Los multipletes de los campos de calibre correspondientes a las simetrías locales no abelianas se llaman. Molinos jóvenes por campos.) En particular, a isotópico. spin [al que corresponde el grupo local SU (2)] actuó como una constante de interacción, se requieren tres campos de indicador con cargas 1 y 0. Corrientes cargadas de pares de partículas están involucradas. etc., entonces se cree que estos pares son dobletes del grupo isospin débil, es decir, el grupo SU (2)... Invarianza de la teoría bajo transformaciones locales del grupo SU(2) requiere, como se señaló, la existencia de un triplete de campos de calibre sin masa W +, W -, W 0, cuya fuente es el isospin débil (la constante de interacción gramo)... Por analogía con la interacción fuerte, en la que hipercarga Y partículas incluidas en el isotópico. multiplete, definido por f-loy Q = Yo 3 + Y / 2(dónde Yo 3 es la tercera proyección de isospin, una Q- eléctrico carga), junto con una isospina débil, se introduce una hipercarga débil. Luego la conservación de la electricidad. carga e isospina débil corresponde a la preservación de una hipercarga débil [grupo [ U(1)]. La hipercarga débil es la fuente del campo de calibre neutral B 0(interacción constante g ")... Dos superposiciones lineales mutuamente ortogonales de campos En ° y W ° describir el campo de fotones A y el campo del bosón Z:

dónde ... Es la magnitud del ángulo lo que determina la estructura de las corrientes neutras. También define la relación entre la constante gramo caracterizando la interacción de los bosones con una corriente débil, y la constante mi caracterizando la interacción de un fotón con eléctrico. Actual:

Pecar. era de naturaleza de corto alcance, los bosones intermedios deberían ser masivos, mientras que los cuantos de los campos gauge originales deberían ser - sin masa. Según la teoría estándar, la aparición de masa en bosones intermedios ocurre cuando ruptura espontánea de simetría SU (2) X U (1)antes de U (1) uh... Además, una de las superposiciones de los campos B 0 y W 0- fotón A) permanece sin masa, y los bosones a y Z adquieren masas:

Experimentemos. los datos sobre corrientes neutrales dieron ... Esto fue igualado por las masas esperadas. W-y bosones-Z, respectivamente, y

Detectar W- y los bosones Z creados por special. instalaciones en las que estos bosones se producen en colisiones de haces colisionantes de alta energía. La primera instalación se encargó en 1981 en el CERN. En 1983 aparecieron informes sobre la detección en el CERN de los primeros casos de producción de bosones vectoriales intermedios. Datos de nacimiento publicados en 1989 W- y Z-bosons en el colisionador estadounidense de protones y antiprotones - Tevatron, en el Fermi National Accelerator Laboratory (FNAL). Hasta el final. Decenio de 1980 numero total W- y bosones Z observados en los colisionadores protón-antiprotón en CERN y FNAL, numerados por centenares.

En 1989, se pusieron en funcionamiento los colisionadores de electrones y positroína LEP en el CERN y SLC en el Stanford Linear Accelerating Center (SLAC). El trabajo de LEP resultó ser especialmente exitoso, donde a principios de 1991 se registraron más de medio millón de casos de nacimiento y desintegración de los bosones Z. El estudio de las desintegraciones de los bosones Z ha demostrado que ningún otro neutrino, además de los previamente conocidos, no existe en la naturaleza. La masa del bosón Z se midió con alta precisión: t z = 91.173 0.020 GeV (la masa del bosón W se conoce con una precisión significativamente peor: m w= 80,220,26 GeV). Estudiar propiedades W- y los bosones Z confirmaron la exactitud de la idea básica (gauge) de la teoría estándar de la interacción electrodébil. Sin embargo, para probar la teoría en su totalidad, también es necesario investigar experimentalmente el mecanismo de ruptura espontánea de la simetría. Dentro del marco de la teoría estándar, la fuente de ruptura espontánea de la simetría es es un campo escalar isodoublet especial con especificación acción propia , donde es una constante adimensional, y la constante h tiene la dimensión de masa ... El mínimo de la energía de interacción se alcanza en, y, t, o., La energía más baja. estado - vacío - contiene un valor de vacío del campo distinto de cero. Si este mecanismo de ruptura de simetría realmente ocurre en la naturaleza, entonces los bosones escalares elementales, los llamados. bosón de Higgs(Cuantos de campo de Higgs). La teoría estándar predice la existencia de al menos un bosón escalar (debe ser neutral). En versiones más complejas de la teoría, hay varias. de tales partículas, y algunas de ellas están cargadas (mientras es posible). A diferencia de los bosones intermedios, la teoría no predice las masas de los bosones de Higgs.

La teoría de gauge de la interacción electrodébil es renormalizable: esto significa, en particular, que las amplitudes de los débiles y el - magn. Los procesos se pueden calcular utilizando la teoría de la perturbación, y las correcciones más altas son pequeñas, como en el cuanto ordinario (ver. Renormalizabilidad(En contraste con esto, la teoría de semiconductores de cuatro fermiones no es renormalizable y no es una teoría internamente consistente).

Hay teóricos. modelo Gran unificación, en el que como grupo interacción electrodébil, y el grupo SU (3) interacción fuerte son subgrupos de un solo grupo, caracterizados por una única constante de interacción de calibre. Incluso más libras. modelos, estas interacciones se combinan con gravitacionales (los llamados. superunificación).

Iluminado .: En C. S., Moshkovsky S. A., Beta decay, trans. del inglés., M., 1970; Weinberg S., Teoría unificada de interacción de partículas elementales, trans. del inglés, "UFN", 1976, v. 118, v. 3, pág. 505; Taylor J., Teorías de calibre de interacciones débiles, trad. del inglés., M., 1978; Hacia una teoría de campo unificada. Senté. Art., Traducciones, M., 1980; Okun L.B., Leptons and Quarks, 2a ed., M., 1990. L. B. Okun.

El tiempo es como un río que transporta acontecimientos que pasan, y su corriente es fuerte; tan pronto como aparezca algo en sus ojos, y ya se ha llevado, y puede ver algo más, que también pronto se llevará.

Marco Aurelio

Cada uno de nosotros se esfuerza por crear una imagen integral del mundo, incluida una imagen del Universo, desde las partículas subatómicas más pequeñas hasta las escalas más grandes. Pero las leyes de la física son a veces tan extrañas y contradictorias que esta tarea puede resultar abrumadora para quienes no se han convertido en físicos teóricos profesionales.

El lector pregunta:

Aunque esto no es astronomía, pero tal vez puedas dar una pista. La interacción fuerte es transportada por los gluones y une a los quarks y gluones. La electromagnética es transportada por fotones y se une a partículas cargadas eléctricamente. La gravedad supuestamente es transportada por gravitones y une todas las partículas a la masa. Débil es transportado por partículas W y Z, y ... ¿está asociado con la descomposición? ¿Por qué se describe la interacción débil de esta manera? ¿Es la interacción débil responsable de la atracción y / o repulsión de alguna partícula? Y cuales? Y si no, ¿por qué entonces es esta una de las interacciones fundamentales, si no está asociada con ninguna fuerza? Gracias.

Repasemos los conceptos básicos. Hay cuatro interacciones fundamentales en el universo: gravedad, electromagnetismo, fuerza nuclear fuerte y fuerza nuclear débil.


Y todas estas son interacciones, fuerzas. Para las partículas cuyo estado se puede medir, la aplicación de una fuerza cambia su momento - en vida ordinaria en tales casos estamos hablando de aceleración. Y para tres de las fuerzas indicadas esto es así.

En el caso de la gravedad, cantidad total la energía (principalmente masas, pero esto incluye toda la energía) dobla el espacio-tiempo, y el movimiento de todas las demás partículas cambia en presencia de todo lo que tiene energía. Así es como funciona en la teoría clásica (no cuántica) de la gravedad. Quizás haya una teoría más general, la gravedad cuántica, donde hay un intercambio de gravitones, lo que lleva a lo que observamos como interacción gravitacional.

Antes de continuar, comprenda:

  1. Las partículas tienen una propiedad, o algo inherente a ellas, que les permite sentir (o no sentir) un cierto tipo de fuerza.
  2. Otras partículas que llevan interacciones interactúan con la primera
  3. Como resultado de las interacciones, las partículas cambian el momento o se aceleran.

En electromagnetismo, la propiedad principal es la carga eléctrica. A diferencia de la gravedad, puede ser positiva o negativa. Un fotón, una partícula que lleva una interacción asociada con una carga, lleva al hecho de que las mismas cargas son repelidas y atraídas otras diferentes.

Vale la pena señalar que las cargas en movimiento o corrientes eléctricas experimentan otra manifestación de electromagnetismo: el magnetismo. Lo mismo sucede con la gravedad, y se llama gravitomagnetismo (o gravitoelectromagnetismo). No profundizaremos, el punto es que no solo hay una carga y un portador de fuerza, sino también corrientes.

También hay una fuerza nuclear fuerte, que tiene tres tipos de cargas. Aunque todas las partículas tienen energía y están sujetas a la gravedad, y aunque los quarks, la mitad de los leptones y un par de bosones contienen cargas eléctricas, solo los quarks y gluones tienen una carga de color y pueden experimentar fuertes interacciones nucleares.

Hay muchas masas en todas partes, por lo que la gravedad es fácil de observar. Y dado que las interacciones fuertes y el electromagnetismo son bastante fuertes, también son fáciles de observar.

Pero, ¿qué pasa con este último? ¿Interacción débil?

Normalmente hablamos de ello en el contexto de la desintegración radiactiva. Un quark o lepton pesado se descompone en otros más ligeros y estables. Sí, la interacción débil tiene algo que ver con eso. Pero en este ejemplo de alguna manera es diferente del resto de las fuerzas.

Resulta que la interacción débil también es una fuerza, simplemente no se habla a menudo de ella. ¡Ella es débil! 10.000.000 de veces más débil que el electromagnetismo a una distancia del diámetro de un protón.

Una partícula cargada siempre tiene una carga, independientemente de si se está moviendo o no. Pero electricidad creado por él depende de su movimiento en relación con el resto de las partículas. La corriente determina el magnetismo, que es tan importante como la parte eléctrica del electromagnetismo. Las partículas compuestas como el protón y el neutrón tienen momentos magnéticos importantes, al igual que el electrón.

Los quarks y leptones vienen en seis sabores. Quarks - arriba, abajo, extraño, encantado, adorable, verdadero (según sus letras latinas u, d, s, c, t, b - arriba, abajo, extraño, encanto, arriba, abajo). Leptones: electrón, electrón-neutrino, muón, muón-neutrino, tau, tau-neutrino. Cada uno de ellos tiene una carga eléctrica, pero también un olor. Si combinamos electromagnetismo e interacción débil para obtener una interacción electrodébil, entonces cada una de las partículas tendrá algún tipo de carga débil, o corriente electrodébil, y una constante de interacción débil. Todo esto se describe en el Modelo Estándar, pero fue bastante difícil de verificar porque el electromagnetismo es muy fuerte.

En un nuevo experimento, cuyos resultados se publicaron recientemente, se midió por primera vez la contribución de la interacción débil. El experimento permitió determinar la interacción débil de los quarks up y down

Y cargas débiles de protones y neutrones. Las predicciones de SM para cargas débiles fueron:

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

Y de acuerdo con los resultados de la dispersión, el experimento dio los siguientes valores:

Q W (p) = 0.063 ± 0.012,
Q W (n) = -0,975 ± 0,010.

Lo cual coincide muy bien con la teoría teniendo en cuenta el error. Los experimentadores dicen que al procesar más datos, reducirán aún más el error. Y si hay alguna sorpresa o discrepancia con Modelo estandar¡Será genial! Pero nada apunta a esto:

Por lo tanto, las partículas tienen una carga débil, pero no la expandiremos, ya que es irrealmente difícil medirla. Pero lo hicimos de todos modos, y parece que reafirmamos el Modelo Estándar.

En 1896, el científico francés Henri Becquerel descubrió la radiactividad del uranio. Esta fue la primera señal experimental sobre fuerzas de la naturaleza previamente desconocidas: una interacción débil. Ahora sabemos que la interacción débil se esconde detrás de muchos fenómenos familiares; por ejemplo, participa en algunas reacciones termonucleares que apoyan la radiación del Sol y otras estrellas.

El nombre "débil" se le dio a esta interacción debido a un malentendido; por ejemplo, para un protón es 1033 veces más fuerte que la interacción gravitacional (ver Gravitación, Unidad de las fuerzas de la naturaleza). Más bien, es una interacción destructiva, la única fuerza de la naturaleza que no mantiene unida la sustancia, sino que solo la destruye. También podría llamarse "sin principios", ya que en la destrucción no tiene en cuenta los principios de paridad espacial y reversibilidad temporal, que son observados por otras fuerzas.

Las principales propiedades de la interacción débil se conocieron ya en la década de 1930, principalmente debido al trabajo del físico italiano E. Fermi. Resultó que, a diferencia de las fuerzas gravitacionales y eléctricas, las fuerzas débiles tienen un radio de acción muy pequeño. En esos años, parecía que no había ningún radio de acción: la interacción tiene lugar en un punto del espacio y, además, instantáneamente. Esta interacción es virtual (en un tiempo corto) convierte cada protón del núcleo en un neutrón, un positrón en un positrón y un neutrino, y cada neutrón en un protón, electrón y antineutrino. En núcleos estables (ver. Núcleo atómico), estas transformaciones permanecen virtuales, como la creación virtual de pares electrón-positrón o pares protón-antiprotón en el vacío. Si la diferencia en las masas de núcleos que difieren en uno a cargo es lo suficientemente grande, estas transformaciones virtuales se vuelven reales y el núcleo cambia su carga en 1, expulsando un electrón y un antineutrino (desintegración β electrónica) o un positrón y un neutrino. (desintegración β de positrones). Los neutrones tienen una masa que es aproximadamente 1 MeV mayor que la suma de las masas del protón y los electrones. Por lo tanto, un neutrón libre se desintegra en un protón, un electrón y un antineutrino con una liberación de energía de aproximadamente 1 MeV. La vida útil de un neutrón libre es de unos 10 minutos, aunque en un estado ligado, por ejemplo, en un deuterón, que consta de un neutrón y un protón, estas partículas viven indefinidamente.

Un evento similar ocurre con un muón (ver Leptones): se desintegra en un electrón, neutrino y antineutrino. Antes de descomponerse, un muón vive unos 10 -6 s, mucho menos que un neutrón. La teoría de Fermi explica esto por la diferencia en las masas de las partículas involucradas. Cuanta más energía se libera durante la descomposición, más rápido avanza. La liberación de energía en la desintegración μ es de aproximadamente 100 MeV, aproximadamente 100 veces más que en la desintegración de un neutrón. La vida útil de una partícula es inversamente proporcional a la quinta potencia de esta energía.

Como resultó en las últimas décadas, la interacción débil no es local, es decir, no ocurre instantáneamente ni en un punto. Según la teoría moderna, la interacción débil no se transmite instantáneamente, y un par virtual electrón-antineutrino nace 10-26 s después de que el muón se convierte en un neutrino, y esto sucede a una distancia de 10-16 cm. Sin regla, no El microscopio puede, por supuesto, medir una distancia tan corta, al igual que ningún otro cronómetro puede medir un intervalo de tiempo tan corto. Como es casi siempre el caso, en física moderna debemos contentarnos con datos indirectos. Los físicos formulan varias hipótesis sobre el mecanismo del proceso y prueban todas las posibles consecuencias de estas hipótesis. Aquellas hipótesis que contradicen al menos un experimento confiable se descartan y se establecen nuevos experimentos para probar los restantes. Este proceso en el caso de la interacción débil duró unos 40 años, hasta que los físicos llegaron a la convicción de que la interacción débil es transportada por partículas supermasivas, 100 veces más pesadas que un protón. Estas partículas tienen espín 1 y se denominan bosones vectoriales (descubiertos en 1983 en el CERN, Suiza - Francia).

Hay dos bosones vectoriales cargados W +, W - y un Z 0 neutral (el icono en la parte superior, como de costumbre, indica la carga en unidades de protones). El bosón de vector cargado W - "trabaja" en la desintegración de un neutrón y un muón. El curso de la desintegración del muón se muestra en la Fig. (parte superior derecha). Dichos dibujos se llaman diagramas de Feynman, no solo ilustran el proceso, sino que también ayudan a calcularlo. Es una especie de abreviatura de la fórmula de la probabilidad de reacción; se utiliza aquí sólo con fines ilustrativos.

El muón se transforma en un neutrino, emitiendo un bosón W, que se descompone en un electrón y un antineutrino. La energía liberada no es suficiente para la producción real del bosón W, por lo que nace virtualmente, es decir, por muy poco tiempo. En este caso, son 10-26 s. Durante este tiempo, el campo correspondiente al bosón W no tiene tiempo para formar una onda, o de lo contrario, una partícula real (ver Campos y partículas). Se forma un coágulo de campo con un tamaño de 10-16 cm, y después de 10-26 s nacen un electrón y un antineutrino.

Para la desintegración de un neutrón, se podría dibujar el mismo diagrama, pero aquí ya nos engañaría. El caso es que el tamaño de un neutrón es de 10 a 13 cm, que es 1000 veces más grande que el radio de acción de las fuerzas débiles. Por tanto, estas fuerzas actúan dentro del neutrón, donde se encuentran los quarks. Uno de los tres quarks de un neutrón emite un bosón W, mientras pasa a otro quark. Las cargas de los quarks en un neutrón son -1/3, -1/3 y +2/3, de modo que uno de los dos quarks con una carga negativa de -1/3 pasa a un quark con una carga positiva de + 2/3. El resultado son quarks con cargas -1/3, 2/3, 2/3, que juntos forman un protón. Los productos de reacción, un electrón y un antineutrino, salen libremente del protón. Pero el quark que emitió el bosón W recibió un retroceso y comenzó a moverse en la dirección opuesta. ¿Por qué no se estrella?

Está frenado por una fuerte interacción. Esta interacción se llevará el quark de sus dos satélites inseparables, dando como resultado un protón en movimiento. Las desintegraciones débiles (asociadas con interacciones débiles) de los hadrones restantes ocurren de manera similar. Todos se reducen a la emisión de un bosón vectorial por uno de los quarks, la transición de este bosón vectorial a leptones (partículas μ-, e-, τ- y ν) y una mayor expansión de los productos de reacción.

A veces, sin embargo, también se producen desintegraciones hadrónicas: el bosón del vector puede desintegrarse en un par quark-antiquark, que se transformará en mesones.

Entonces, un gran número de Varias reacciones se reducen a la interacción de quarks y leptones con bosones vectoriales. Esta interacción es universal, es decir, es la misma para quarks y leptones. La universalidad de la interacción débil, en contraste con la universalidad de la interacción gravitacional o electromagnética, aún no ha recibido una explicación exhaustiva. V teorías modernas la interacción débil se combina con la interacción electromagnética (ver Unidad de las fuerzas de la naturaleza).

Para la ruptura de simetría por interacción débil, consulte Paridad, Neutrino. El artículo Unidad de las fuerzas de la naturaleza habla sobre el lugar de las fuerzas débiles en la imagen del microcosmos.

Los portadores de la interacción débil son los bosones vectoriales. W + , W- y Z 0 ... Al mismo tiempo, se distingue la interacción de las llamadas corrientes débiles cargadas y las corrientes débiles neutrales. Interacción de corrientes cargadas (con la participación de bosones cargados W±) conduce a un cambio en las cargas de las partículas y la transformación de algunos leptones y quarks en otros leptones y quarks. Interacción de corrientes neutrales (con la participación de un bosón neutro Z 0) no cambia las cargas de las partículas y transforma leptones y quarks en las mismas partículas.

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    Utilizando la hipótesis de Pauli, Enrico Fermi desarrolló la primera teoría de desintegración beta en 1933. Curiosamente, su trabajo fue rechazado para ser publicado en la revista. Naturaleza, refiriéndose a la excesiva abstracción del artículo. La teoría de Fermi se basa en el uso de un segundo método de cuantificación, similar al que ya se había aplicado en ese momento para los procesos de emisión y absorción de fotones. Una de las ideas expresadas en el trabajo fue también la afirmación de que las partículas emitidas por el átomo no estaban contenidas en él inicialmente, sino que nacieron en el proceso de interacción.

    Durante mucho tiempo se creyó que las leyes de la naturaleza son simétricas con respecto a la reflexión del espejo, es decir, el resultado de cualquier experimento debería ser el mismo que el resultado de un experimento realizado en una instalación simétrica de espejo. Esta simetría con respecto a la inversión espacial (que generalmente se denota como PAG) está asociado con la ley de conservación de la paridad. Sin embargo, en 1956, al considerar teóricamente el proceso de desintegración de los mesones K, Yang Zhenning y Li Zongdao sugirieron que la interacción débil puede no obedecer esta ley. Ya en 1957, el grupo de Wu Jiansong confirmó esta predicción en un experimento de desintegración β, que le valió a Yang y Li el Premio Nobel de Física de 1957. Posteriormente, el mismo hecho se confirmó en la desintegración de un muón y otras partículas.

    Para explicar nuevos hechos experimentales, en 1957, Murray Gell-Mann, Richard Feynman, Robert Marshak y George Sudarshan desarrollaron teoría universal interacción débil de cuatro fermiones, llamada V − A-teorías.

    En un esfuerzo por preservar la máxima simetría posible de interacciones, L. D. Landau sugirió en 1957 que aunque PAG-la simetría se rompe en interacciones débiles, la simetría combinada debe conservarse en ellas CP- una combinación de reflexión especular y sustitución de partículas por antipartículas. Sin embargo, en 1964, James Cronin y Val Fitch encontraron una débil violación en las desintegraciones de los kaones neutrales. CP- paridad. Fue la interacción débil la que también fue responsable de esta violación; además, en este caso, la teoría predijo que además de dos generaciones de quarks y leptones conocidas en ese momento, debería existir al menos una generación más. Esta predicción se confirmó primero en 1975, cuando se descubrió el leptón tau, y luego en 1977 con el descubrimiento del quark b. Cronin y Fitch recibieron el Premio Nobel de Física en 1980.

    Propiedades

    Todos los fermiones fundamentales (leptones y quarks) participan en la interacción débil. Ésta es la única interacción en la que participan los neutrinos (aparte de la gravedad, que es insignificante en condiciones de laboratorio), lo que explica la colosal capacidad de penetración de estas partículas. La interacción débil permite que los leptones, los quarks y sus antipartículas intercambien energía, masa, carga eléctrica y números cuánticos, es decir, se transformen entre sí.

    La interacción débil recibe su nombre del hecho de que su intensidad característica es mucho menor que la del electromagnetismo. En física de partículas elementales, la intensidad de la interacción se caracteriza generalmente por la velocidad de ocurrencia de los procesos causados ​​por esta interacción. Cuanto más rápido avanzan los procesos, mayor es la intensidad de la interacción. A energías de partículas que interactúan del orden de 1 GeV, la tasa característica de los procesos causados ​​por una interacción débil es de aproximadamente 10-10 s, que es aproximadamente 11 órdenes de magnitud más alta que para los procesos electromagnéticos, es decir, los procesos débiles son extremadamente lentos. Procesos.

    Otra característica de la intensidad de la interacción es el camino libre medio de las partículas en la materia. Entonces, para detener el hadrón volador debido a la fuerte interacción, se requiere una placa de hierro de varios centímetros de espesor. Y un neutrino, que participa sólo en interacciones débiles, puede volar a través de una placa de miles de millones de kilómetros de espesor.

    Entre otras cosas, la interacción débil tiene un rango de acción muy pequeño: aproximadamente 2 10-18 m (esto es aproximadamente 1000 veces menor granos). Por esta razón, a pesar de que la interacción débil es mucho más intensa que la gravitacional, cuyo rango es ilimitado, juega un papel notablemente menor. Por ejemplo, incluso para núcleos ubicados a una distancia de 10-10 m, la interacción débil es más débil no solo electromagnética, sino también gravitacional.

    En este caso, la intensidad de los procesos débiles depende en gran medida de la energía de las partículas que interactúan. Cuanto mayor sea la energía, mayor será la intensidad. Por ejemplo, debido a la interacción débil, un neutrón, cuya liberación de energía durante la desintegración beta es de aproximadamente 0,8 MeV, se desintegra en un tiempo de aproximadamente 10 3 s, y un Λ-hiperón con una liberación de energía de aproximadamente cien veces más. , ya en 10 −10 s. Lo mismo ocurre con los neutrinos energéticos: la sección transversal para la interacción con un nucleón de un neutrino con una energía de 100 GeV es seis órdenes de magnitud mayor que la de un neutrino con una energía de aproximadamente 1 MeV. Sin embargo, a energías del orden de varios cientos de GeV (en el sistema del centro de masa de las partículas en colisión), la intensidad de la interacción débil se vuelve comparable a la energía de la interacción electromagnética, como resultado de lo cual se pueden describir. de manera uniforme como una interacción electrodébil.

    La interacción débil es la única interacción fundamental para la cual no se cumple la ley de conservación de la paridad, lo que significa que las leyes que gobiernan los procesos débiles cambian cuando el sistema se refleja en un espejo. La violación de la ley de conservación de la paridad conduce al hecho de que solo las partículas zurdas (cuyo giro es opuesto al impulso), pero no las diestras (cuyo giro es codireccional con el impulso), están sujetas a una interacción débil, y viceversa: las antipartículas de la mano derecha interactúan débilmente, pero las de la mano izquierda son inertes.

    Además de la paridad espacial, la interacción débil tampoco preserva la paridad combinada de carga espacial, es decir, la única interacción conocida viola el principio CP-invarianza.

    Descripción teórica

    Teoría de fermi

    La primera teoría de la interacción débil fue desarrollada por Enrico Fermi en la década de 1930. Su teoría se basa en una analogía formal entre el proceso de desintegración β y los procesos electromagnéticos de emisión de fotones. La teoría de Fermi se basa en la interacción de las llamadas corrientes hadrónica y leptónica. En este caso, a diferencia del electromagnetismo, se asume que su interacción es de naturaleza de contacto y no implica la presencia de un portador similar a un fotón. V notación moderna la interacción entre los cuatro fermiones principales (protón, neutrón, electrón y neutrino) es descrita por un operador de la forma

    GF 2 p ¯ ^ n ^ ⋅ mi ¯ ^ ν ^ (\ displaystyle (\ frac (G_ (F)) (\ sqrt (2))) (\ hat (\ overline (p))) (\ hat (n) ) \ cdot (\ hat (\ overline (e))) (\ hat (\ nu))),

    dónde G F (\ Displaystyle G_ (F))- la llamada constante de Fermi, numéricamente igual a aproximadamente 10 −48 J / m³ o 10 - 5 / m p 2 (\ displaystyle 10 ^ (- 5) / m_ (p) ^ (2)) (m p (\ Displaystyle m_ (p)) es la masa del protón) en el sistema de unidades, donde ℏ = c = 1 (\ Displaystyle \ hbar = c = 1); p ¯ ^ (\ displaystyle (\ hat (\ overline (p))))- operador de creación de protones (o aniquilación de antiprotones), n ^ (\ Displaystyle (\ hat (n)))- operador de destrucción de un neutrón (creación de un antineutrón), e ¯ ^ (\ displaystyle (\ hat (\ overline (e))))- el operador de la creación de electrones (aniquilación de positrones), ν ^ (\ displaystyle (\ hat (\ nu)))- operador de aniquilación de neutrinos (producción de antineutrinos).

    Trabaja p ¯ ^ n ^ (\ displaystyle (\ hat (\ overline (p))) (\ hat (n))), que es responsable de la conversión de un neutrón en un protón, se llama corriente de nucleón, y mi ¯ ^ ν ^, (\ displaystyle (\ hat (\ overline (e))) (\ hat (\ nu)),) convertir un electrón en un neutrino - leptón. Se postula que estas corrientes, al igual que las corrientes electromagnéticas, son de 4 vectores p ¯ ^ γ μ n ^ (\ displaystyle (\ hat (\ overline (p))) \ gamma _ (\ mu) (\ hat (n))) y mi ¯ ^ γ μ ν ^ (\ displaystyle (\ hat (\ overline (e))) \ gamma _ (\ mu) (\ hat (\ nu))) (γ μ, μ = 0 ... 3 (\ Displaystyle \ gamma _ (\ mu), ~ \ mu = 0 \ dots 3)- Matrices de Dirac). Por lo tanto, su interacción se llama vector.

    Una diferencia significativa entre las corrientes débiles introducidas por Fermi y las electromagnéticas es que cambian la carga de las partículas: un protón cargado positivamente se convierte en un neutrón neutro y un electrón cargado negativamente se convierte en un neutrino neutro. En este sentido, estas corrientes se denominan corrientes cargadas.

    Teoría Universal V-A

    La teoría universal de la interacción débil, también llamada V - A-teoría, fue propuesta en 1957 por M. Gell-Mann, R. Feynman, R. Marshak y J. Sudarshan. Esta teoría tuvo en cuenta el hecho de la violación de la paridad ( PAG-simetría) con interacción débil. Para esto, las corrientes débiles se presentaron como la suma de la corriente vectorial V y axial A(de ahí el nombre de la teoría).

    Las corrientes vectoriales y axiales se comportan exactamente igual bajo las transformaciones de Lorentz. Sin embargo, en el caso de la inversión espacial, su comportamiento es diferente: la corriente vectorial con tal transformación permanece sin cambios y la corriente axial cambia de signo, lo que conduce a una violación de paridad. Además, las corrientes V y A difieren en la llamada paridad de carga (violar C-simetría).

    De manera similar, la corriente hadrónica es la suma de las corrientes de quarks de todas las generaciones ( tu- cima, D- fondo, C- encantado, s- extraño, t- cierto, B- adorables quarks):

    u ¯ ^ d ′ ^ + c ¯ ^ s ′ ^ + t ¯ ^ b ′ ^. (\ Displaystyle (\ hat (\ overline (u))) (\ hat (d ^ (\ prime))) + (\ hat (\ overline (c))) (\ hat (s ^ (\ prime))) + (\ hat (\ overline (t))) (\ hat (b ^ (\ prime))).)

    Sin embargo, en contraste con la corriente leptónica, aquí los operadores d ′ ^, (\ displaystyle (\ hat (d ^ (\ prime))),) s ′ ^ (\ displaystyle (\ hat (s ^ (\ prime)))) y b ′ ^ (\ displaystyle (\ hat (b ^ (\ prime)))) son una combinación lineal de operadores d ^, (\ displaystyle (\ hat (d)),) s ^ (\ displaystyle (\ sombrero (s))) y b ^, (\ displaystyle (\ hat (b)),) es decir, la corriente hadrónica contiene un total de no tres, sino nueve términos. Estos términos se pueden combinar en una única matriz de 3 × 3, denominada matriz Cabibbo-Kobayashi-Maskawa. Esta matriz se puede parametrizar mediante tres ángulos y un factor de fase. Este último caracteriza el grado de violación CP-invarianza en la interacción débil.

    Todos los términos en una corriente cargada son la suma de los operadores vectoriales y axiales con factores iguales a la unidad.

    L = GF 2 jw ^ jw † ^, (\ Displaystyle (\ mathcal (L)) = (\ frac (G_ (F)) (\ sqrt (2))) (\ hat (j_ (w))) (\ sombrero (j_ (w) ^ (\ daga))),)

    dónde j w ^ (\ Displaystyle (\ hat (j_ (w)))) es el operador actual cargado, y j w † ^ (\ Displaystyle (\ hat (j_ (w) ^ (\ dagger))))- conjugado a él (obtenido reemplazando e ¯ ^ ν e ^ → ν e ¯ ^ e ^, (\ displaystyle (\ hat (\ overline (e))) (\ hat (\ nu _ (e))) \ rightarrow (\ hat (\ overline (\ nu _ (e)))) (\ hat (e)),) u ¯ ^ d ^ → d ¯ ^ u ^ (\ displaystyle (\ hat (\ overline (u))) (\ hat (d)) \ rightarrow (\ hat (\ overline (d))) (\ hat (u ))) etc.)

    Teoría de Weinberg-Salam

    En su forma moderna, la interacción débil se describe como parte de una interacción electrodébil unificada en el marco de la teoría de Weinberg-Salam. Esta es una teoría cuántica de campos con un grupo de calibre. SU(2) × U(1) y la simetría rota espontáneamente del estado de vacío causado por la acción del campo del bosón de Higgs. La prueba de renormalizabilidad de tal modelo por Martinus Veltman y Gerard 't Hooft fue galardonado con el Premio Nobel de Física de 1999.

    De esta forma, la teoría de la interacción débil se incluye en el modelo estándar moderno, y es la única interacción que rompe simetrías. PAG y CP .

    Según la teoría de la interacción electrodébil, la interacción débil no es contacto, pero tiene sus portadores: los bosones vectoriales W + , W- y Z 0 con masa distinta de cero y espín igual a 1. La masa de estos bosones es de aproximadamente 90 GeV / c², lo que determina el pequeño radio de acción de las fuerzas débiles.

    En este caso, los bosones cargados W± son responsables de la interacción de corrientes cargadas y de la existencia de un bosón neutro Z 0 significa también la existencia de corrientes neutras. De hecho, tales corrientes se han descubierto experimentalmente. Un ejemplo de interacción con su participación es, en particular, la dispersión elástica de neutrinos por un protón. En tales interacciones, se conservan tanto la forma de las partículas como sus cargas.

    Para describir la interacción de corrientes neutrales, el lagrangiano debe complementarse con un término de la forma

    L = GF ρ 2 2 f 0 ^ f 0 ^, (\ displaystyle (\ mathcal (L)) = (\ frac (G_ (F) \ rho) (2 (\ sqrt (2)))) (\ hat ( f_ (0))) (\ sombrero (f_ (0))),)

    donde ρ es un parámetro adimensional, igual a la unidad en la teoría estándar (experimentalmente difiere de la unidad en no más del 1%), f 0 ^ = ν e ¯ ^ ν e ^ + ⋯ + e ¯ ^ e ^ + ⋯ + u ¯ ^ u ^ +… (\ displaystyle (\ hat (f_ (0))) = (\ hat (\ overline ( \ nu _ (e)))) (\ hat (\ nu _ (e))) + \ dots + (\ hat (\ overline (e))) (\ hat (e)) + \ dots + (\ hat (\ overline (u))) (\ hat (u)) + \ puntos)- Operador autoadjunto de corriente neutra.

    A diferencia de las corrientes cargadas, el operador de corriente neutra es diagonal, es decir, transfiere partículas a sí mismas y no a otros leptones o quarks. Cada uno de los términos del operador de corriente neutra es la suma de un operador vectorial con un factor y un operador axial con un factor Yo 3 - 2 Q pecado 2 ⁡ θ w (\ Displaystyle I_ (3) -2Q \ sin ^ (2) \ theta _ (w)), dónde Yo 3 (\ Displaystyle I_ (3))- la tercera proyección de los llamados débiles