Е.С.КОСОЛАПОВА, К.А.КОХАНОВ,
ВятГГУ, г. Киров
center@extedu.kirov.ru

Слабое взаимодействие и элементы
теории электрослабого взаимодействия

Урок-лекция объяснения нового материала, 2 ч. 11-й класс

Вы уже знаете, что все силы в природе сводятся к описанию гравитационного, электромагнитного и сильного взаимодействий или их совокупностей. Гравитационное взаимодействие присуще всем материальным объектам. К электромагнитному сводятся не только взаимодействие между заряженными телами и частицами, но и упругие, вязкие, молекулярные, химические и другие взаимодействия. Сильное взаимодействие удерживает нуклоны в атомных ядрах и определяет различные превращения частиц друг в друга.

Сегодня мы рассмотрим ещё один, 4-й, тип фундаментальных взаимодействий, несводимый ни к одному из названных, – слабое взаимодействие. Узнаем поразительный факт, что на малых расстояниях слабое взаимодействие становится неотличимым от электромагнитного.

Слабое взаимодействие. Слабым это взаимодействие называется неслучайно. Во-первых, его проявления редко встречаются в нашей повседневной жизни, тогда как мы давно привыкли к различным проявлениям гравитационного и электромагнитного взаимодействий (например, падение всех тел на Землю, трение, молния и др.), к результатам действия ядерных сил, обеспечивающих стабильность окружающего нас вещества. Во-вторых, это взаимодействие действительно является слабым, т.к. его интенсивность при низких энергиях, не превышающих 1 ГэВ – энергии покоя протона, – в миллиарды раз меньше, чем интенсивность сильного и электромагнитного взаимодействий.

Кроме того, опыт показывает, что сильное и электромагнитное взаимодействия могут обеспечивать как различные превращения частиц, так и целостность какого-то материального объекта (например, сильное взаимодействие обеспечивает целостность ядра, электромагнитное взаимодействие – целостность кристаллической решётки). Силы слабого взаимодействия не хватает, чтобы удерживать частицы друг около друга (т.е. образовывать связанные состояния). Оно может проявляться только при распадах и взаимных превращениях частиц.

Несмотря на все «слабости» слабого взаимодействия, оно имеет очень большое значение. Именно это взаимодействие на микроуровне отвечает за выделение энергии в звёздах, в том числе и на Солнце. Можно сказать, что мы в прямом смысле не можем жить без этого взаимодействия! Кроме того, известный вам -распад радиоактивных ядер также происходит за счёт слабого взаимодействия.

Итак, каковы основные свойства слабого взаимодействия?

– Слабое взаимодействие при низких энергиях гораздо слабее сильного и электромагнитного взаимодействий;

– слабое взаимодействие является короткодействующим: радиус его действия порядка 10^–18 м;

– слабое взаимодействие универсально: в нём участвуют практически все частицы, кроме фотонов. Кроме того, есть частицы, которые участвуют только в слабом взаимодействии, например, нейтрино и антинейтрино ;

– при слабом взаимодействии не выполняются некоторые, казалось бы, всеобщие законы сохранения (этот вопрос рассмотрен в материале для самостоятельного изучения, см. далее).

Как известно, каждое из взаимодействий осуществляется посредством особых элементарных частиц – переносчиков того или иного взаимодействия. Например, фотоны – переносчики электромагнитного взаимодействия, глюоны – переносчики сильного взаимодействия. В настоящее время учёные пытаются открыть переносчиков гравитационного взаимодействия – гравитоны.

Переносчиками слабого взаимодействия являются промежуточные векторные бозоны. Их известно 3 вида: W^–, W⁺, Z⁰. Эти частицы имеют очень большие массы: m_W  85m_p, m_Z  96m_p, где m_p – масса протона.

Опишем подробнее роль промежуточных бозонов в процессах слабого взаимодействия. Например, при -распаде кварк d из нейтрона испускает W^–-бозон и превращается в кварк u, так что нейтрон превращается в протон: d u + W^–, – а затем W^–-бозон распадается на электрон и антинейтрино: [Однако следует подчеркнуть, что из-за очень большой массы W-бозона эффективно -распад происходит так, что всё внутреннее «устройство» слабых взаимодействий не проявляется и отражается только в малой константе взаимодействия. Но если изучать процессы слабого взаимодействия при энергиях, сравнимых с массой W (т.е. порядка 100 ГэВ), то здесь вклад W-бозона отчётливо проявляется. – Ред.]

2. Единое электрослабое взаимодействие. Дальнейшие теоретические исследования привели к тому, что картина фундаментальных взаимодействий стала упрощаться. Оказалось, что электромагнитные и слабые взаимодействия являются проявлением одного и того же взаимодействия, которое получило название электрослабого взаимодействия. Эту мысль впервые высказали (независимо друг от друга) в 1967 г. С.Вайнберг и А.Салам, выдвинув следующую гипотезу: природа слабого и электромагнитного взаимодействий едина, т.к. на малых расстояниях слабые взаимодействия сравниваются по силе с электромагнитными, и разница между промежуточными векторными бозонами и фотонами стирается. Иными словами, при энергиях, превышающих несколько сотен гигаэлектронвольт, электромагнитное и слабое взаимодействия становятся неразличимыми по интенсивности, они как бы сливаются в одно электрослабое взаимодействие.

Заметим, что Вайнберг и Салам опирались на высказанное ранее предположение, что переносчиками слабого взаимодействия являются промежуточные векторные бозоны. Экспериментально эти частицы были открыты гораздо позже (в 1983 г.).

3. Обоснование гипотезы Вайнберга–Салама. Вайнберг и Салам пришли к выводу о существовании единого электрослабого взаимодействия на основе новых фундаментальных физических идей:
1) локальной калибровочной инвариантности;
2) спонтанного нарушения симметрии.

Из гипотезы следует, что на малых расстояниях промежуточные векторные бозоны не отличаются по своим свойствам от фотонов, а это значит, что промежуточные векторные бозоны и фотоны – это, по сути, два проявления одной и той же частицы – переносчика электрослабого взаимодействия (иначе сила взаимодействия не может быть одинаковой). Это возможно только тогда, когда выполняется принцип локальной калибровочной инвариантности (симметрии), (см. схему).

Выяснилось, что при изменении масштаба, т.е. при уменьшении расстояния, переносчики электрослабого взаимодействия переходят из одного своего проявления – фотонов – в другое свое проявление – промежуточные векторные бозоны, – но обмен ими осуществляется столь же легко.

Но тут встал новый вопрос: каким образом промежуточные векторные бозоны и фотоны могут быть проявлениями одних и тех же частиц, если у фотонов масса равна нулю, а промежуточные векторные бозоны имеют очень большие массы? Поскольку это одни и те же частицы, их массы обязаны совпадать. Казалось, что возникла безвыходная ситуация.

Оказалось, что промежуточные векторные бозоны способны приобретать свою массу в результате некоего механизма, который называется спонтанным нарушением симметрии. Этот механизм весьма сложен, но попробуем рассмотреть его суть на нескольких простых примерах.

• Законы движения отдельных атомов удовлетворяют принципу пространственной симметрии, т.е. не изменяются при движении атома по различным направлениям. Но при образовании кристалла эта симметрия сама собой нарушается, и свойства кристалла по разным направлениям уже не будут одинаковыми. Таким образом, у кристалла по сравнению со свободными атомами появляется много специфических свойств, например, способность намагничиваться.

• Шарик, находящийся в центре приподнятого дна бутылки, будет находиться в равновесии. Система при этом обладает осевой симметрией. Однако данное положение равновесия неустойчиво. Предоставленный самому себе шарик под влиянием сколь угодно малого возмущения скатится на вогнутое дно. Это положение шарика устойчиво, т.к. ему соответствует минимум потенциальной энергии в поле тяжести Земли. Первоначальная осевая симметрия состояния окажется спонтанно нарушенной.

Аналогично, в самых общих чертах, механизм спонтанного нарушения локальной калибровочной симметрии, которая обеспечивает «безмассовость» промежуточных векторных бозонов и их идентичность фотонам, приводит к появлению массы у промежуточных векторных бозонов и тем самым к различиям во внешнем проявлении слабого и электромагнитного взаимодействий.

Изложенные выше положения составляют единую теорию электрослабого взаимодействия. Именно из неё следовало существование трёх видов промежуточных векторных бозонов W^–, W⁺, Z⁰, а также предсказаны значения их масс.

Экспериментальное открытие промежуточных векторных бозонов в 1983 г. подтвердило справедливость единой теории электрослабого взаимодействия. С этими экспериментами вам также предлагается ознакомиться самостоятельно (вопрос изложен в материале для самостоятельного изучения).

Таким образом, вместо четырёх фундаментальных взаимодействиях можно говорить лишь о трёх: гравитационном, сильном и электрослабом.

1. Невыполнение законов сохранения при слабом взаимодействии. Обнаружилось, что при слабом взаимодействии не выполняются некоторые, казалось бы, всеобщие законы сохранения, выполняющиеся при остальных трёх фундаментальных взаимодействиях (см. схему).

Рассмотрим законы, которые не выполняются при слабом взаимодействии.

• Закон сохранения пространственной чётности (P-чётности). Говорят, что закон сохранения пространственной чётности в каком-либо процессе выполняется, если процесс является зеркально симметричным, т.е. протекает совершенно одинаково как вправо, так и влево относительно какого-то выбранного центра. Иными словами, сам процесс и его зеркальное отражение протекают абсолютно одинаково.

В 1957 г. Ц.Ву было установлено, что закон сохранения чётности не выполняется при слабых взаимодействиях. Некоторое вещество, содержащее -активный изотоп кобальта , помещалось внутрь катушки с током, создающей магнитное поле (поле необходимо для упорядочивания ориентации спинов и собственных магнитных моментов ядер). Оказалось, что по одну сторону (например, вверх) испускалось примерно на 40% больше электронов, чем по другую.

Опыт на реальной установке (вверху) и его отражение в зеркале (внизу)

При зеркальном отражении всей картины, например, относительно зеркала, располагающегося внизу, мы увидим совершенно другое явление (большинство электронов вылетают вниз, хотя поле В кругового тока по-прежнему направлено вверх). Чтобы явление -распада в зеркале протекало точно так же, должно измениться направление «преимущественного» испускания электронов (вверх). Налицо нарушение закона сохранения пространственной чётности, которого бы не было, если бы электроны с равной вероятностью испускались как вверх, так и вниз.

Явление несохранения пространственной чётности при слабом взаимодействии можно проиллюстрировать и так. Рождающиеся при слабом взаимодействии частицы (электроны, мюоны, таоны) являются продольно-поляризованными. Это означает, что они имеют собственный момент импульса – спин  j, который для данной частицы всегда либо сонаправлен с импульсом частицы p, либо направлен противоположно. При зеркальном отражении у этих частиц указанные векторы меняют направление по-разному. Спин направления не меняет, а импульс – меняет. Однако частиц с полученным расположением p и  j попросту не существует, поэтому в зеркале процесс протекает иначе.

Частица с продольной поляризацией: а) падение; б) отражение

• Закон сохранения комбинированной чётности (CP-чётности). Невыполнение закона сохранения пространственной чётности было столь необычным явлением, что учёные пытались доказать, что для слабого взаимодействия сохраняемость всё же существует, но она имеет более глубокий смысл. Они считали, что для слабого взаимодействия выполняется закон комбинированной чётности. Суть его в том, что симметрия не будет нарушаться, если в зеркальном отражении все частицы заменить античастицами (произвести так называемое зарядовое сопряжение C). Однако позднее было установлено, что наблюдаются слабые распады так называемых долгоживущих каонов К⁰ на пионы ⁺ и ^–, которые будут запрещёнными, если частицы заменить античастицами.

• Закон сохранения чарма C и странности S. Странность S и чарм C – характеристики кварков, похожие на электрический заряд и принимающие значения 0, ±1, ±2, ±3. Ненулевое значение странности и чарма означает, что частица состоит из одного-трёх странного и чармированного кварков (антикварков) соответственно. В результате слабых взаимодействий суммарное значение странности и чарма частиц до и после взаимодействия может как сохраняться, так и изменяться.

• Закон сохранения изоспина Т. Изоспин, или изотопический спин, – это квантовая векторная величина, характеризующая свойства частиц по отношению к сильному взаимодействию. Частицы, неотличимые по ядерному взаимодействию, например протон и нейтрон, объединяются в изотопический мультиплет, и им присваивается одинаковое значение изотопического спина. Например, для протона и нейтрона |Т| = 1/2. В результате только слабого взаимодействия суммарный вектор изоспина может не сохраняться.

2. Открытие промежуточных векторных бозонов. В 1983 г. существование промежуточных векторных бозонов было экспериментально подтверждено. Известно, что основным методом исследования в физике элементарных частиц является метод рассеяния, т.е. столкновение различных частиц друг с другом, в результате которого рождаются новые частицы. В последнее время широко применяются коллайдеры – ускорители, в которых сталкиваются два пучка частиц с нулевым суммарным импульсом (частицы из разных пучков имеют равные по модулю, но противоположно направленные импульсы). Говорят, что процесс рассматривается в системе центра инерции сталкивающихся частиц. Рождающиеся в коллайдере новые частицы регистрируются различными детекторами.

Итак, столкнём протонный и антипротонный пучки, в каждом из которых энергия частицы равна Е. Тогда суммарная энергия столкновения двух частиц равна 2Е. При условии 2Е > Мс² в этом столкновении может быть рождена частица массой М. Рассмотрим процесс: , где Х – это набор всевозможных состояний, например,

Рождение промежуточных векторных бозонов проиллюстрируем диаграммой.

Кварк u из протона и антикварк из антипротона могут слиться в W⁺ (это показано на диаграмме). Аналогично, пары могут дать при слиянии Z⁹-бозон, пара – W^–-бозон. Но, родившись, эти частицы быстро распадаются. Например, и др.

Позитрон или положительно заряженный мюон с высокой эффективностью могут быть зарегистрированы детекторами, и это будет служить признаком рождения промежуточного векторного бозона. Нейтрино при этом улетают, унося значительную часть энергии.

Экспериментальное открытие векторных промежуточных бозонов подтвердило справедливость единой теории электрослабого взаимодействия.

Вопросы для самоконтроля

1. Перечислите и поясните законы сохранения, которые выполняются при слабом взаимодействии.

2. В чём суть закона сохранения пространственной чётности?

3. Поясните, каким образом было доказано невыполнение закона сохранения пространственной чётности при слабом взаимодействии. Когда и кем был проведён данный опыт?

4. Как ещё можно проиллюстрировать явление несохранения пространственной чётности при слабом взаимодействии?

5. Чем отличается закон сохранения пространственной чётности от закона сохранения комбинированной чётности? Почему нельзя говорить о его выполнимости для слабого взаимодействия?

6. Для чего были введены странность и чарм? Какие значения они могут принимать? Что можно сказать о сохранении этих величин при слабом взаимодействии?

7. Чем отличается изотопический спин от изотопического мультиплета? Приведите пример изотопического мультиплета. Всегда ли закон сохранения изоспина не выполняется при слабом взаимодействии?

8. Как вы считаете, почему до построения коллайдеров не удавалось экспериментально доказать существование промежуточных векторных бозонов?

9. Поясните процесс рождения промежуточных векторных бозонов в коллайдере.

10. Каким образом регистрируются рождающиеся в коллайдере промежуточные векторные бозоны?

Мякишев Г.Я. Элементарные частицы. – М.: Наука, 1979.

Методические указания по курсу «Физика атомного ядра и элементарных частиц»: Сост. Василевский А.С. Ч. 1, 2. – Киров: ГПИ, 1990.

Мухин К.Н. Занимательная ядерная физика. – М.: Энергоатомиздат, 1985.

Наумов А.И. Физика атомного ядра и элементарных частиц. – М.: Просвещение, 1984.

Окунь Л.Б. Физика элементарных частиц. – М.: Наука, 1988.

Орир Дж. Популярная физика. – М.: Мир, 1964.

Физика элементарных частиц. Астрофизика: Энциклопедия «Современное естествознание». Т. 4. – М.: ИД Магистр-Пресс, 2000.

Константин Анатольевич Коханов – выпускник Кировского ГПУ 1996 г., учитель физики высшей квалификационной категории, педагогический стаж 9 лет, методист, к.п.н. Женат, имеет двоих детей.

Екатерина Сергеевна Косолапова, студентка 5-го курса физического факультета ВятГГУ.