Слабое взаимодействие
Слабое взаимодействие — одна из четырёх фундаментальных сил природы. Для нейтрино оно единственное, которое играет роль, — и потому причина того, почему эти частицы так трудно уловить.
Четыре силы, одна обязанность
Сила тяжести удерживает планеты на орбитах. Электромагнетизм связывает электроны с ядрами. Сильное взаимодействие удерживает вместе атомные ядра.
Слабое взаимодействие делает нечто иное: оно превращает частицы друг в друга. Оно делает из нейтрона протон, из мюона электрон, из одного кварка другой.
Тем самым это единственная сила, способная изменить тождество частицы. Все прочие толкают, тянут или связывают — эта превращает.
Нейтрино не несёт ни электрического, ни цветового заряда. Для электромагнетизма и сильной силы оно невидимо. Остаётся одно лишь слабое взаимодействие — и сила тяжести, которая при столь малой массе не имеет значения.
Почему Солнце горит медленно
Важнейшая услуга этой силы — одновременно и самая незаметная.
Первый шаг ядерного синтеза на Солнце состоит в том, что два протона сливаются в ядро дейтерия. Для этого один из двух должен превратиться в нейтрон — процесс слабого взаимодействия.
А поскольку эта сила столь медлительна, дело это долгое. Отдельный протон в солнечном ядре ждёт в среднем миллиарды лет, пока этот шаг удастся, хотя он непрестанно сталкивается с другими протонами.
Именно эта медлительность делает Солнце электростанцией, а не бомбой. Будь слабое взаимодействие сильнее, Солнце давно бы выгорело — и времени для жизни никогда бы не нашлось.
Почему оно слабое
Название вводит в заблуждение. Сила связи слабого взаимодействия вовсе не так мала. Слабым его заставляет казаться масса его переносчиков взаимодействия.
Силы передаются обменными частицами. У электромагнетизма это безмассовый фотон, действующий на сколь угодно большом расстоянии. У слабого взаимодействия это W- и Z-бозоны, примерно в восемьдесят раз тяжелее протона.
Столь тяжёлая обменная частица может существовать лишь ничтожный промежуток времени и потому уходит совсем недалеко. Радиус действия составляет около 10⁻¹⁸ метра — одну тысячную диаметра протона.
Итак, две частицы должны сблизиться чрезвычайно тесно, чтобы что-то произошло. Именно это и делает сечение взаимодействия столь малым.
При очень высоких энергиях этот недостаток теряет вес. Там слабая сила действительно становится сравнимой по величине с электромагнетизмом — и это не случайность, а причина их объединения.
Два рода процессов
Заряженные токи идут через W-бозоны. При этом частица меняет своё тождество: электронное нейтрино становится электроном, нейтрон — протоном.
Нейтральные токи идут через Z-бозон. Здесь каждая частица остаётся тем, что она есть; передаются лишь энергия и импульс. Открыты эти процессы были в 1973 году на пузырьковой камере Gargamelle.
Различие имеет решающее значение для регистрации. Поскольку через заряженные токи с обычным веществом реагируют только электронные нейтрино, тогда как нейтральные токи открыты для всех типов, в Sudbury Neutrino Observatory удалось сопоставить оба канала друг с другом — и тем самым решить проблему солнечных нейтрино.
Особенность: левое и правое
Слабое взаимодействие — единственная сила, которая различает левое и правое. Оно действует только на левые частицы и правые античастицы.
Доказала это в 1956 году Цзянь-Шун У. Следствие для нейтрино описывает страница о спиральности.
Эта односторонность до сих пор не объяснена. Она не следует ни из какого более глубокого принципа, а представляет собой измеренное свойство, которое приходится встраивать в теорию, — один из немногих пунктов, где Стандартная модель просто описывает, вместо того чтобы обосновывать.
Объединение
В 1960-е годы Глэшоу, Салам и Вайнберг показали, что слабое взаимодействие и электромагнетизм — две стороны одного и того же. При очень высоких энергиях они сливаются в электрослабое взаимодействие.
То, что сегодня они кажутся нам столь разными, обусловлено механизмом Хиггса: он придаёт W- и Z-бозонам их массу и оставляет фотон безмассовым. Из одной-единственной силы возникают тем самым две, которые едва ли могли бы действовать более различно: одна с бесконечным радиусом действия, другая — почти без него.
Родственные понятия
- W- и Z-бозоны — переносчики взаимодействия
- Сечение взаимодействия — почему так мало что происходит
- Спиральность — киральность
- Gargamelle — регистрация нейтральных токов
Источники
- S. Weinberg: A Model of Leptons, Physical Review Letters 19, 1264 (1967).
- Particle Data Group: Review of Particle Physics, раздел Electroweak Model.