Interactions faibles et fortes brièvement. Forces nucléaires faibles et fortes

Le temps est comme une rivière qui transporte les événements qui passent, et son courant est fort ; Dès que quelque chose apparaît sous vos yeux, il a déjà été emporté, et vous pouvez voir autre chose qui sera également bientôt emporté.

Marc Aurèle

Chacun de nous s'efforce de créer une image holistique du monde, y compris une image de l'Univers, depuis les plus petites particules subatomiques jusqu'à la plus grande échelle. Mais les lois de la physique sont parfois si étranges et contre-intuitives que cette tâche peut devenir insurmontable pour ceux qui ne sont pas devenus des physiciens théoriciens professionnels.

Un lecteur demande :

Bien qu’il ne s’agisse pas d’astronomie, vous pourriez peut-être me donner un indice. La force forte est portée par les gluons et lie les quarks et les gluons ensemble. L'électromagnétique est transporté par les photons et lie les particules chargées électriquement. La gravité est censée être transportée par les gravitons et lie toutes les particules à la masse. Le faible est porté par les particules W et Z, et... est associé à la désintégration ? Pourquoi la force faible est-elle décrite de cette façon ? La force faible est-elle responsable de l’attraction et/ou de la répulsion de particules ? Et lesquels ? Et sinon, pourquoi alors est-ce l’une des interactions fondamentales si elle n’est associée à aucune force ? Merci.

Éliminons les bases. Il existe quatre forces fondamentales dans l’univers : la gravité, l’électromagnétisme, la force nucléaire forte et la force nucléaire faible.

Et tout cela est interaction, force. Pour les particules dont l'état peut être mesuré, l'application d'une force modifie son moment - en vie ordinaire dans de tels cas, nous parlons d'accélération. Et pour trois de ces forces, cela est vrai.

En cas de gravité, montant total l'énergie (principalement la masse, mais cela inclut toute l'énergie) plie l'espace-temps et le mouvement de toutes les autres particules change en présence de tout ce qui a de l'énergie. C’est ainsi que cela fonctionne dans la théorie classique (non quantique) de la gravité. Peut-être qu'il y en a d'autres théorie générale, la gravité quantique, où les gravitons sont échangés, conduisant à ce que nous observons comme une interaction gravitationnelle.

Avant de continuer, veuillez comprendre :

1. Les particules ont une propriété, ou quelque chose qui leur est inhérent, qui leur permet de ressentir (ou de ne pas ressentir) un certain type de force.
2. D'autres particules porteuses d'interactions interagissent avec les premières
3. À la suite d'interactions, les particules modifient leur moment ou accélèrent

En électromagnétisme, la propriété principale est charge électrique. Contrairement à la gravité, elle peut être positive ou négative. Un photon, une particule qui transporte la force associée à une charge, provoque la repousse des charges similaires et l'attraction des charges différentes.

Il convient de noter que les charges en mouvement, ou courants électriques, subissent une autre manifestation de l'électromagnétisme : le magnétisme. La même chose se produit avec la gravité, et c’est ce qu’on appelle le gravitomagnétisme (ou gravitoélectromagnétisme). Nous n'irons pas plus loin - le fait est qu'il n'y a pas seulement une charge et un porteur de force, mais aussi des courants.

Il existe également une forte interaction nucléaire, qui comporte trois types de charges. Bien que toutes les particules aient de l'énergie et soient toutes soumises à la gravité, et bien que les quarks, la moitié des leptons et une paire de bosons contiennent des charges électriques, seuls les quarks et les gluons ont une charge colorée et peuvent subir la forte force nucléaire.

Il y a beaucoup de masses partout, la gravité est donc facile à observer. Et comme la force forte et l’électromagnétisme sont assez puissants, ils sont également faciles à observer.

Mais qu’en est-il de ce dernier ? Faible interaction ?

On parle généralement de lui dans le contexte désintégration radioactive. Un quark ou un lepton lourd se désintègre en des quarks plus légers et plus stables. Oui, une faible interaction a quelque chose à voir avec cela. Mais dans cet exemple, elle est en quelque sorte différente des autres forces.

Il s’avère que l’interaction faible est aussi une force, mais on n’en parle pas souvent. Elle est faible ! 10 000 000 de fois plus faible que l'électromagnétisme sur une distance égale au diamètre d'un proton.

Une particule chargée a toujours une charge, qu'elle soit en mouvement ou non. Mais le courant électrique qu'il crée dépend de son mouvement par rapport aux autres particules. Le courant détermine le magnétisme, qui est aussi important que la partie électrique de l’électromagnétisme. Les particules composées comme le proton et le neutron ont des moments magnétiques importants, tout comme l'électron.

Les quarks et les leptons se déclinent en six saveurs. Quarks - haut, bas, étrange, charmé, charmant, vrai (selon eux désignations de lettres en latin u, d, s, c, t, b - haut, bas, étrange, charme, haut, bas). Leptons - électron, électron-neutrino, muon, muon-neutrino, tau, tau-neutrino. Chacun d’eux possède une charge électrique, mais aussi une odeur. Si nous combinons l’électromagnétisme et la force faible pour obtenir la force électrofaible, alors chacune des particules aura une charge faible, ou courant électrofaible, et une constante de force faible. Tout cela est décrit dans le modèle standard, mais il était assez difficile de le tester car l'électromagnétisme est très fort.

Dans une nouvelle expérience dont les résultats ont été récemment publiés, la contribution de l’interaction faible a été mesurée pour la première fois. L'expérience a permis de déterminer la faible interaction des quarks up et down

Et les faibles charges du proton et du neutron. Les prédictions du modèle standard pour les charges faibles étaient les suivantes :

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

Et sur la base des résultats de diffusion, l’expérience a produit les valeurs suivantes :

Q W (p) = 0,063 ± 0,012,
Q W (n) = -0,975 ± 0,010.

Ce qui coïncide très bien avec la théorie, compte tenu de l'erreur. Les expérimentateurs affirment qu’en traitant davantage de données, ils réduiront davantage l’erreur. Et s’il y a des surprises ou des divergences par rapport au Modèle Standard, ce sera cool ! Mais rien ne l'indique :

Par conséquent, les particules ont une charge faible, mais nous n'en parlons pas, car elle est irréaliste et difficile à mesurer. Mais nous l’avons quand même fait, et il semble que nous ayons reconfirmé le modèle standard.

Faible interaction, ou force nucléaire faible, est l’une des quatre forces fondamentales de la nature. Il est notamment responsable de la désintégration bêta du noyau. Cette interaction est dite faible car les deux autres interactions significatives pour Physique nucléaire(forts et électromagnétiques) se caractérisent par une intensité nettement plus élevée. Cependant, elle est bien plus forte que la quatrième des interactions fondamentales, gravitationnelle. Cette interaction est la plus faible des interactions fondamentales observées expérimentalement dans les désintégrations de particules élémentaires, où les éléments suivants sont fondamentalement significatifs : effets quantiques. Les manifestations quantiques de l’interaction gravitationnelle n’ont jamais été observées. Une interaction faible se distingue à l'aide de la règle suivante : si une particule élémentaire appelée neutrino (ou antineutrino) participe au processus d'interaction, alors cette interaction est faible.

Un exemple typique d’interaction faible est la désintégration bêta d’un neutron.

où n est un neutron, p est un proton, e- est un électron, e est un antineutrino électronique.

Il convient cependant de garder à l'esprit que la règle ci-dessus ne signifie pas du tout que tout acte d'interaction faible doit être accompagné d'un neutrino ou d'un antineutrino. On sait que cela se produit grand nombre désintégrations sans neutrinos. A titre d'exemple, on peut noter le processus de désintégration d'un hypéron lambda en un proton p et un pion chargé négativement. Par idées modernes Le neutron et le proton ne sont pas de véritables particules élémentaires, mais sont composés de particules élémentaires appelées quarks.

L'intensité de l'interaction faible est caractérisée par la constante de couplage de Fermi GF. La constante GF est dimensionnelle. Pour former une quantité sans dimension, il est nécessaire d'utiliser une masse de référence, par exemple la masse du proton mp. Alors la constante de couplage sans dimension sera

On constate que l’interaction faible est bien plus intense que l’interaction gravitationnelle.

L’interaction faible, contrairement à l’interaction gravitationnelle, est à courte portée. Cela signifie que la faible force entre les particules n’entre en jeu que si les particules sont suffisamment proches les unes des autres. Si la distance entre les particules dépasse une certaine valeur appelée rayon caractéristique d’interaction, l’interaction faible ne se manifeste pas. Il a été établi expérimentalement que le rayon caractéristique d'une interaction faible est d'environ 10 à 15 cm, c'est-à-dire que l'interaction faible est concentrée à des distances petites tailles noyau atomique. Bien que l’interaction faible soit significativement concentrée dans le noyau, elle présente certaines manifestations macroscopiques. De plus, la faible interaction joue rôle important dans les réactions dites thermonucléaires responsables du mécanisme de libération d'énergie dans les étoiles. La propriété la plus étonnante de l’interaction faible est l’existence de processus dans lesquels se manifeste une asymétrie miroir. À première vue, il semble évident que la différence entre les concepts de gauche et de droite est arbitraire. En effet, les processus d'interaction gravitationnelle, électromagnétique et forte sont invariants vis-à-vis de l'inversion spatiale qu'effectue reflet du miroir. On dit que dans de tels processus, la parité spatiale P est conservée. Cependant, il a été établi expérimentalement que des processus faibles peuvent se dérouler sans conservation de la parité spatiale et semblent donc percevoir la différence entre la gauche et la droite. Actuellement, il existe des preuves expérimentales solides que la non-conservation de la parité dans les interactions faibles est de nature universelle ; elle se manifeste non seulement dans les désintégrations de particules élémentaires, mais également dans les phénomènes nucléaires et même atomiques. Il faut reconnaître que l’asymétrie du miroir est une propriété de la Nature au niveau le plus fondamental.

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FAIBLE INTERACTION- l'un des quatre fonds connus. interaction entre . S.v. Beaucoup plus faible que fort et el-magnétique. interactions, mais beaucoup plus fortes que les interactions gravitationnelles. Dans les années 80 Il a été établi que faible et el-magn. interactions - diff. manifestations d'un seul interaction électrofaible.

L’intensité des interactions peut être jugée par la rapidité des processus qu’elles provoquent. Habituellement, les vitesses des processus sont comparées les unes aux autres à des énergies de GeV, caractéristiques de la physique des particules élémentaires. À de telles énergies, le processus provoqué par la forte interaction se produit en un temps s, el-magn. processus dans le temps, temps caractéristique des processus se produisant du fait de l’énergie solaire. (processus faibles), bien plus encore : c, de sorte que dans le monde des particules élémentaires, les processus faibles se déroulent extrêmement lentement.

Une autre caractéristique de l’interaction concerne les particules dans la matière. Les particules en interaction forte (hadrons) peuvent être retenues par une plaque de fer de plusieurs épaisseurs. dizaines de centimètres, alors qu'un neutrino, qui ne possède qu'une forte vitesse, traverserait, sans subir une seule collision, une plaque de fer d'une épaisseur d'environ un milliard de kilomètres. La gravité est encore plus faible. interaction dont la force à une énergie de ~1 GeV est 10 33 fois inférieure à celle de S. v. Cependant, le rôle de la gravité est généralement joué. les interactions sont beaucoup plus visibles que le rôle du S. siècle. Cela est dû au fait que la gravitation l'interaction, comme l'interaction électromagnétique, a un champ d'action infiniment large ; ainsi, par exemple, les forces gravitationnelles agissent sur les corps situés à la surface de la Terre. l'attraction de tous les atomes qui composent la Terre. L'interaction faible a un rayon d'action très court : env. 2*10 -16 cm (ce qui est trois ordres de grandeur inférieur au rayon de forte interaction). En conséquence, par exemple, S. v. entre les noyaux de deux atomes voisins situés à une distance de 10 à 8 cm est négligeable, incomparablement plus faible non seulement électromagnétique, mais aussi gravitationnel. interactions entre eux.

Cependant, malgré la petite taille et l'action courte, S. siècle. joue un rôle très important dans la nature. Ainsi, s'il était possible de « désactiver » l'énergie solaire, le Soleil s'éteindrait, car le processus de conversion d'un proton en neutron, positron et neutrino serait impossible, ce qui entraînerait la transformation de quatre protons en 4. Lui, deux positons et deux neutrinos. Ce processus constitue le principal source d'énergie du Soleil et de la plupart des étoiles (voir Cycle de l'hydrogène). Processus du S. siècle. avec l'émission de neutrinos sont généralement extrêmement importants dans évolution des étoiles, car ils provoquent une perte d'énergie des étoiles très chaudes lors des explosions supernovae avec la formation de pulsars, etc. S'il n'y avait pas d'énergie solaire, les muons, les mésons et les particules étranges et charmées, qui se désintègrent sous l'effet de l'énergie solaire, seraient stables et répandus dans la matière ordinaire. Un rôle aussi important de SE est dû au fait qu'il n'est pas soumis à un certain nombre d'interdictions caractéristiques d'un pouvoir fort et magnétique. interactions. En particulier, S. c. transforme les leptons chargés en neutrinos et un type (saveur) en quarks d'autres types.

L'intensité des processus faibles augmente rapidement avec l'augmentation de l'énergie. Donc, désintégration bêta des neutrons, la libération d'énergie dans Krom est faible (~ 1 MeV), dure env. 10 3 s, soit 10 13 fois supérieure à la durée de vie d'un hypéron, l'énergie libérée lors de sa désintégration est d'environ 100 MeV. La section efficace d'interaction avec les nucléons pour les neutrinos d'une énergie d'environ 100 GeV est d'env. un million de fois plus que pour les neutrinos d'énergie ~1 MeV. Selon la théorie Selon les idées, la croissance de la section efficace durera jusqu'à des énergies de l'ordre de plusieurs. des centaines de GeV (dans le système du centre d'inertie des particules en collision). A ces énergies et à de grands transferts de quantité de mouvement, les effets associés à l'existence de bosons vecteurs intermédiaires. À des distances entre particules en collision bien inférieures à 2*10 -16 cm (la longueur d'onde Compton des bosons intermédiaires), S.v. et el-magn. les interactions ont presque la même intensité.

Naïb. un processus commun provoqué par S. siècle - désintégration bêta noyaux atomiques radioactifs. En 1934, E. Fermi élabore une théorie de la décomposition impliquant certaines créatures. les modifications ont constitué la base de la théorie ultérieure de la soi-disant. système local universel à quatre fermions. (Interactions de Fermi). Selon la théorie de Fermi, l'électron et le neutrino (plus précisément) s'échappant du noyau radioactif n'y étaient pas auparavant, mais sont apparus au moment de la désintégration. Ce phénomène est similaire à l'émission de photons de faible énergie ( lumière visible) des atomes excités ou des photons de haute énergie (quanta) des noyaux excités. La raison de ces processus est l’interaction de l’électricité. particules avec el-magn. champ : une particule chargée en mouvement crée un courant électromagnétique, qui perturbe l’aimant électrique. champ; À la suite de l'interaction, la particule transfère de l'énergie aux quanta de ce champ - les photons. Interaction des photons avec el-magn. le courant est décrit par l'expression UN. Ici e- électrique élémentaire charge, qui est un el-magn constant. interactions (voir Constante d'interaction), A- opérateur de champ de photons (c'est-à-dire opérateur de création et d'annihilation de photons), j em - opérateur de densité el-magn. actuel (Souvent, l'expression du courant électromagnétique inclut également le multiplicateur e.) Toutes les charges contribuent à j em. particules. Par exemple, le terme correspondant à l'électron a la forme : où est l'opérateur de l'annihilation d'un électron ou de la naissance d'un positron, et est l'opérateur de la naissance d'un électron ou de l'annihilation d'un positron. [Par souci de simplicité, il n'est pas montré ci-dessus que j um, ainsi que UN, est un vecteur à quatre dimensions. Plus précisément, vous devriez plutôt écrire un ensemble de quatre expressions où - Matrice de Dirac,= 0, 1, 2, 3. Chacune de ces expressions est multipliée par la composante correspondante du vecteur à quatre dimensions.]

L'interaction décrit non seulement l'émission et l'absorption de photons par les électrons et les positrons, mais également des processus tels que la création de paires électron-positron par les photons (voir. Naissance des couples)ou annihilation ces paires en photons. Échange de photons entre deux charges. les particules conduisent à leur interaction les unes avec les autres. En conséquence, par exemple, il se produit une diffusion d'un électron par un proton, ce qui est schématiquement représenté Diagramme de Feynman, présenté sur la fig. 1. Lorsqu'un proton dans le noyau passe d'un niveau à un autre, la même interaction peut conduire à la naissance d'une paire électron-positon (Fig. 2).

La théorie de la désintégration de Fermi est essentiellement similaire à la théorie électro-magnétique. processus. Fermi a basé sa théorie sur l’interaction de deux « courants faibles » (voir. Actuel dans la théorie quantique des champs), mais interagissant les uns avec les autres non pas à distance en échangeant une particule - un champ quantique (photon dans le cas d'une interaction électromagnétique), mais par contact. Il s’agit de l’interaction entre quatre champs de fermions (quatre fermions p, n, e et neutrino v) à l’époque moderne. la notation a la forme : . Ici G F- Constante de Fermi, ou constante d'interaction faible à quatre fermions, expérimentale. signification de couper erg*cm 3 (la valeur a la dimension du carré de la longueur, et en unités c'est une constante , Où M.- masse de protons), - opérateur de naissance de protons (annihilation d'antiprotons), - opérateur d'annihilation de neutrons (naissance d'antineutrons), - opérateur de naissance d'électrons (annihilation de positrons), v - opérateur de destruction des neutrinos (naissance des antineutrinos). (Ici et désormais, les opérateurs de création et d'annihilation de particules sont indiqués par les symboles des particules correspondantes, tapés en gras.) Le courant qui convertit un neutron en proton fut ensuite appelé nucléon, et le courant - lepton. Fermi a postulé cela, comme un el-magn. courant, les courants faibles sont également des vecteurs à quatre dimensions : c'est pourquoi l'interaction de Fermi est appelée. vecteur.

Semblable à la naissance d'une paire électron-positon (Fig. 2), la désintégration d'un neutron peut être décrite par un diagramme similaire (Fig. 3) [les antiparticules sont marquées d'un « tilde » au-dessus des symboles des particules correspondantes] . L’interaction des courants de leptons et de nucléons devrait par exemple conduire à d’autres processus. à la réaction (Fig. 4), à la vapeur (Fig. 5) et etc.

Créatures La différence entre les courants faibles et les courants électromagnétiques est qu’un courant faible modifie la charge des particules, tandis qu’un courant électrique modifie la charge des particules. le courant ne change pas : un courant faible transforme un neutron en proton, un électron en neutrino, et un courant électromagnétique laisse un proton en proton et un électron en électron. Par conséquent, les tokii ev faibles sont appelés. courants chargés. Selon cette terminologie, un aimant électrique ordinaire. son courant est courant neutre.

La théorie de Fermi était basée sur les résultats de trois études différentes. domaines : 1) expérimental. recherche du S. siècle lui-même (-désintégration), qui a conduit à l'hypothèse de l'existence de neutrinos ; 2) expérimenter. les recherches sur la force forte (), qui ont conduit à la découverte des protons et des neutrons et à comprendre que les noyaux sont constitués de ces particules ; 3) expérimenter. et théorique recherche électro-magnétique interactions, à la suite desquelles les bases de la théorie quantique des champs ont été posées. La poursuite du développement la physique des particules a confirmé à plusieurs reprises l'interdépendance fructueuse de la recherche sur les champs magnétiques forts, faibles et électromagnétiques. interactions.

La théorie du sv universel à quatre fermions. diffère de la théorie de Fermi sur un certain nombre de points et de manières. Ces différences, établies au cours des années suivantes grâce à l'étude des particules élémentaires, se résumaient à ce qui suit.

L'hypothèse selon laquelle S. v. ne préserve pas la parité, a été proposée par Lee Tsung-Dao et Yang Chen Ning en 1956 avec des arguments théoriques. recherche sur la carie Mésons K ; bientôt un échec R.- et les parités C ont été découvertes expérimentalement dans la désintégration des noyaux [Bu Chien-Shiung et collaborateurs], dans la désintégration du muon [R. Garwin (R. Garwin), L. Lederman (L. Lederman), V. Telegdi (V. Telegdi), J. Friedman (J. Friedman), etc.] et dans les désintégrations d'autres particules.

Résumer une énorme expérience. matériel, M. Gell-Mann, P. Feynman, P. Marshak et E. Sudarshan ont proposé en 1957 la théorie du S. v. universel - ce qu'on appelle V- UN-théorie. Dans une formulation basée sur la structure des quarks des hadrons, cette théorie est que le courant chargé faible total j u est la somme des courants de leptons et de quarks, chacun de ces courants élémentaires contenant la même combinaison de matrices de Dirac :

Comme il s'est avéré plus tard, le chargeur. Le courant leptonique, représenté dans la théorie de Fermi par un terme, est la somme de trois termes : et chacune des accusations connues. leptons (électrons, muons et lepton lourd) est inclus dans le tarif. actuel avec votre neutrino.

Charge le courant hadronique, représenté par le terme dans la théorie de Fermi, est la somme des courants de quarks. En 1992, cinq types de quarks étaient connus , à partir duquel tous les hadrons connus sont construits, et l'existence d'un sixième quark est supposée ( t Avec Q =+ 2/3). Les courants de quarks chargés, ainsi que les courants de leptons, s'écrivent généralement comme la somme de trois termes :

Cependant, voici des combinaisons linéaires d'opérateurs d, s, b, le courant chargé du quark se compose donc de neuf termes. Chacun des courants est la somme des courants vectoriels et axiaux avec des coefficients égaux à l'unité.

Les coefficients de neuf courants de quarks chargés sont généralement représentés sous la forme d'une matrice 3x3 dont les bords sont paramétrés par trois angles et un facteur de phase caractérisant la perturbation. Invariance CP dans les désintégrations faibles. Cette matrice s'appelle Kobayashi - Matrices Maskawa (M. Kobayashi, T. Maskawa).

Lagrangien S. v. les courants chargés ont la forme :

Mangeur, conjugué, etc.). Cette interaction de courants chargés décrit quantitativement un grand nombre de processus faibles : leptoniques, semi-leptoniques ( etc.) et non leptoniques ( ,, etc.). Beaucoup de ces processus ont été découverts après 1957. Au cours de cette période, deux phénomènes fondamentalement nouveaux ont également été découverts : la violation de l'invariance du CP et les courants neutres.

La violation de l'invariance de CP a été découverte en 1964 dans une expérience de J. Christenson, J. Cronin, V. Fitch et R. Turley, qui ont observé la désintégration des mésons K° à longue durée de vie en deux mésons. Plus tard, une violation de l'invariance de CP a également été observée dans les désintégrations semileptoniques. Pour clarifier la nature de l’interaction CP-non-invariante, il serait extrêmement important de trouver k-l. Processus CP non invariant dans les désintégrations ou les interactions d'autres particules. En particulier, la recherche du moment dipolaire du neutron est d'un grand intérêt (dont la présence signifierait une violation de l'invariance par rapport à inversion du temps, et donc, d'après le théorème SRT, et invariance CP).

L'existence de courants neutres a été prédite par la théorie unifiée des courants faibles et électriques. interactions créées dans les années 60. Sh. Glashow, S. Weinberg, A. Salam et d'autres ont reçu plus tard ce nom. théorie standard de l'interaction électrofaible. Selon cette théorie, S. v. n'est pas une interaction de contact de courants, mais se produit par l'échange de bosons vecteurs intermédiaires ( W + , W - , Z 0) - particules massives de spin 1. Dans ce cas, les bosons effectuent une interaction de charge. courants (Fig. 6), et Z 0-les bosons sont neutres (Fig. 7). Dans la théorie standard, trois bosons intermédiaires et un photon sont des quanta vectoriels, appelés. champs de jauge, agissant lors de transferts asymptotiquement importants de quantité de mouvement à quatre dimensions ( , mz, Où m w , m z- les messes W- et les bosons Z en énergie. unités) sont complètement égales. Les courants neutres ont été découverts en 1973 lors de l'interaction des neutrinos et des antineutrinos avec les nucléons. Plus tard, les processus de diffusion d'un neutrino muonique par un électron ont été découverts, ainsi que les effets de non-conservation de parité dans l'interaction des électrons avec des nucléons, provoqués par le courant électronique neutre (ces effets ont été observés pour la première fois dans des expériences sur la non-conservation de parité dans transitions atomiques menées à Novossibirsk par L. M. Barkov et M. S. Zolotorev, ainsi que dans des expériences sur la diffusion d'électrons sur des protons et des deutons aux États-Unis).

L'interaction des courants neutres est décrite par le terme correspondant dans le lagrangien S.V.

où est un paramètre sans dimension. Dans la théorie standard (la valeur expérimentale p coïncide avec 1 à un pour cent près de la précision expérimentale et de la précision du calcul corrections de rayonnement). Le courant neutre faible total contient les contributions de tous les leptons et de tous les quarks :

Une propriété très importante des courants neutres est qu'ils sont diagonaux, c'est-à-dire qu'ils transfèrent des leptons (et des quarks) vers eux-mêmes, et non vers d'autres leptons (quarks), comme c'est le cas avec les courants chargés. Chacun des 12 courants neutres de quarks et de leptons est une combinaison linéaire du courant axial avec un coefficient. je 3 et courant vectoriel avec coefficient. , Où je 3- troisième projection de la soi-disant. faible spin isotopique, Q- la charge des particules, et - Angle de Weinberg.

La nécessité de l'existence de quatre champs vectoriels de bosons intermédiaires W + , W -, Z 0 et photons UN peut être expliqué ensuite. chemin. Comme on le sait, à el-magn. interaction électrique la charge joue un double rôle : d’une part, elle est une quantité conservée, et d’autre part, elle est une source d’énergie électromagnétique. champ qui interagit entre les particules chargées (constante d'interaction e). C'est le rôle de l'électricité. la charge est fournie par une jauge, ce qui consiste dans le fait que les équations de la théorie ne changent pas lorsque les fonctions d'onde des particules chargées sont multipliées par un facteur de phase arbitraire en fonction du point espace-temps [local symétrie U(1)], et en même temps el-magn. le champ, qui est un champ de jauge, subit une transformation. Transformations des groupes locaux U(1) avec un type de charge et un champ de jauge faisant la navette entre eux (un tel groupe est appelé Abélien). La propriété spécifiée est électrique. La charge a servi de point de départ à la construction de théories et d’autres types d’interactions. Dans ces théories, les quantités conservées (par exemple le spin isotopique) sont simultanément sources de certains champs de jauge qui transfèrent les interactions entre les particules. Dans le cas de plusieurs types de « charges » (par exemple, différentes projections de spin isotopique), lorsqu’elles sont séparées. les transformations ne commutent pas entre elles (un groupe de transformations non abéliennes), il s'avère qu'il faut en introduire plusieurs. champs de jauge. (Les multiples de champs de jauge correspondant aux symétries locales non abéliennes sont appelés Champs Young-Mills.) En particulier, donc isotopique. spin [auquel le groupe local répond SU(2)] a agi comme une constante d'interaction, trois champs de jauge avec des charges 1 et 0 sont nécessaires depuis le S. siècle. des courants chargés de paires de particules sont impliqués etc., alors on pense que ces paires sont des doublets du groupe isospin faible, c'est-à-dire le groupe UM(2). Invariance de la théorie sous transformations de groupes locaux S.U.(2) nécessite, comme indiqué, l'existence d'un triplet de champs de jauge sans masse F+, W - , W 0, dont la source est un isospin faible (constante d'interaction g). Par analogie avec l'interaction forte, dans laquelle hypercharge Y particules incluses dans l’isotope. multiplet, déterminé par f-loy Q = je 3 + A/2(Où je 3- troisième projection isospin, une Q- électrique charge), avec une faible isospin, une faible hypercharge est introduite. Puis économiser de l'électricité. charge et isospin faible correspond à la conservation de l'hypercharge faible [groupe [ U(1)]. Une hypercharge faible est source d’un champ de jauge neutre B 0(constante d'interaction g"). Deux superpositions linéaires de champs mutuellement orthogonales B° Et W° décrire le champ de photons UN et le champ du boson Z :

Où . C'est l'amplitude de l'angle qui détermine la structure des courants neutres. Il définit également la relation entre la constante g, qui caractérise l'interaction des bosons avec un courant faible, et la constante e, caractérisant l'interaction d'un photon avec l'électricité. choc électrique:

Pour que S. puisse était de nature à courte portée, les bosons intermédiaires devraient être massifs, tandis que les quanta des champs de jauge d'origine - - sans masse. Selon la théorie standard, l’apparition de masse dans les bosons intermédiaires se produit lorsque rupture spontanée de symétrie SU(2) X U(1)avant U(1) em. De plus, une des superpositions de champs B 0 Et W 0- photons ( UN) reste sans masse, les bosons a et Z acquièrent des masses :

Expérimentons. des données sur les courants neutres ont été données . Les masses attendues correspondaient à cela W- et les bosons Z, respectivement, et

Pour la détection W- et les bosons Z ont été spécialement créés. installations dans lesquelles ces bosons naissent lors de collisions de faisceaux de haute énergie en collision. La première installation est entrée en service en 1981 au CERN. En 1983, des rapports sont apparus sur la détection des premiers cas de production de bosons vecteurs intermédiaires au CERN. Les données sur les naissances ont été publiées en 1989 W- Et Z-bosons au collisionneur proton-antiproton américain - Tevatron, au Laboratoire national des accélérateurs Fermi (FNAL). K con. années 1980 numéro complet W- et les bosons Z observés dans les collisionneurs proton-antiproton du CERN et du FNAL se comptent par centaines.

En 1989, les collisionneurs électron-positroïne LEP du CERN et SLC du Stanford Linear Accelerator Center (SLAC) ont commencé à fonctionner. Les travaux du LEP ont été particulièrement réussis : au début de 1991, plus d'un demi-million de cas de création et de désintégration de bosons Z ont été enregistrés. L’étude des désintégrations du boson Z a montré qu’aucun autre neutrino, à l’exception de ceux connus auparavant, n’existe dans la nature. La masse du boson Z a été mesurée avec une grande précision : t z = 91,173 0,020 GeV (la masse du boson W est connue avec une précision bien pire : m w= 80 220,26 GeV). Étudier les propriétés W- et les bosons Z ont confirmé l'exactitude de l'idée de base (de jauge) de la théorie standard de l'interaction électrofaible. Cependant, pour tester pleinement la théorie, il est également nécessaire d’étudier expérimentalement le mécanisme de rupture spontanée de symétrie. Dans la théorie standard, la source de la rupture spontanée de symétrie est un champ scalaire isodoublet spécial qui a un champ spécifique auto-action , où est une constante sans dimension et la constante h a la dimension de la masse . L’énergie d’interaction minimale est atteinte à l’énergie la plus basse. state - vide - contient une valeur de champ de vide non nulle. Si ce mécanisme de rupture de symétrie se produit réellement dans la nature, alors il devrait y avoir des bosons scalaires élémentaires - ce qu'on appelle. le boson de Higgs(Quanta du champ de Higgs). La théorie standard prédit l’existence d’au moins un boson scalaire (il doit être neutre). Il existe plusieurs versions plus complexes de la théorie. de telles particules, et certaines d'entre elles sont chargées (c'est possible). Contrairement aux bosons intermédiaires, les masses des bosons de Higgs ne sont pas prédites par la théorie.

La théorie de jauge de l'interaction électrofaible est renormalisable : cela signifie notamment que les amplitudes des interactions faibles et électro-magnétiques sont renormalisables. les processus peuvent être calculés à l'aide de la théorie des perturbations, et les corrections les plus élevées sont faibles, comme dans le quantum ordinaire (voir. Renormalisabilité(En revanche, la théorie des quatre fermions de la vitesse variable n'est pas renormalisable et n'est pas une théorie cohérente en interne.)

Il y a des théories des modèles Grande Unification, dans lequel en groupe interaction électrofaible, et le groupe SU(3)les interactions fortes sont des sous-groupes d'un seul groupe, caractérisés par une constante d'interaction de jauge unique. Dans encore plus de fonds. modèles, ces interactions sont combinées avec des interactions gravitationnelles (dites superunion).

Lit. : Dans Ts., Moshkovsky S. A., Désintégration bêta, trans. de l'anglais, M., 1970 ; Weinberg S., Théories unifiées de l'interaction des particules élémentaires, trans. de l'anglais, UFN, 1976, vol. 118, v. 3, p. 505 ; Taylor J., Théories de jauge des interactions faibles, trans. de l'anglais, M., 1978 ; En route vers une théorie unifiée des champs. Assis. art., traductions, M., 1980 ; Okun L. B., Leptons et quarks, 2e éd., M., 1990. L.B. Okun.

Faible interaction

La physique a progressé lentement vers l’identification de l’existence de l’interaction faible. La force faible est responsable de la désintégration des particules ; et c'est pourquoi sa manifestation a été confrontée à la découverte de la radioactivité et à l'étude de la désintégration bêta.

La désintégration bêta s'est avérée fortement fonctionnalité étrange. Les recherches ont conduit à la conclusion que cette désintégration semblait violer l'une des lois fondamentales de la physique : la loi de conservation de l'énergie. Il semblait qu'une partie de l'énergie disparaissait quelque part. Pour « sauver » la loi de conservation de l'énergie, W. Pauli a suggéré que lors de la désintégration bêta, une autre particule s'envole avec l'électron, emportant avec elle l'énergie manquante. Il est neutre et possède un pouvoir pénétrant inhabituellement élevé, ce qui fait qu'il n'a pas pu être observé. E. Fermi a appelé la particule invisible « neutrino ».

Mais la prévision des neutrinos n’est que le début du problème, sa formulation. Il était nécessaire d’expliquer la nature des neutrinos, mais il restait ici beaucoup de mystère. Le fait est que les électrons et les neutrinos étaient émis par des noyaux instables. Mais il a été prouvé de manière irréfutable qu’il n’existe pas de telles particules à l’intérieur des noyaux. Concernant leur apparition, il a été suggéré que les électrons et les neutrinos n'existent pas dans le noyau de " forme finie", mais sont en quelque sorte formés à partir de l'énergie d'un noyau radioactif. Des recherches plus poussées ont montré que les neutrons contenus dans le noyau, laissés à eux-mêmes, se désintègrent après quelques minutes en proton, électron et neutrino, c'est-à-dire en au lieu d'une particule, trois nouvelles apparaissent. L'analyse a conduit à la conclusion que forces connues ne peut pas provoquer une telle désintégration. Il a apparemment été généré par une autre force inconnue. Des recherches ont montré que cette force correspond à une interaction faible.

L'interaction faible est nettement plus petite en ampleur que toutes les interactions, à l'exception de l'interaction gravitationnelle, et dans les systèmes où elle est présente, ses effets sont éclipsés par les interactions électromagnétiques et fortes. De plus, l’interaction faible se propage sur de très petites distances. Le rayon de l’interaction faible est très petit. L'interaction faible s'arrête à une distance supérieure à 10-16 cm de la source et ne peut donc pas influencer les objets macroscopiques, mais se limite au microcosme, aux particules subatomiques. Lorsque la découverte en avalanche de nombreuses particules subnucléaires instables a commencé, il a été découvert que la plupart d’entre elles participaient à des interactions faibles.

Forte interaction

La dernière de la série d’interactions fondamentales est l’interaction forte, qui est une source d’énergie énorme. L’exemple le plus typique d’énergie libérée par une interaction forte est le Soleil. Dans les profondeurs du Soleil et des étoiles, des réactions thermonucléaires se produisent continuellement, provoquées par de fortes interactions. Mais l'homme a aussi appris à déclencher des interactions fortes : une bombe à hydrogène a été créée, des technologies de réactions thermonucléaires contrôlées ont été conçues et améliorées.

La physique est arrivée à l'idée de l'existence d'une interaction forte lors de l'étude de la structure du noyau atomique. Une certaine force doit retenir les protons chargés positivement dans le noyau, les empêchant de s'envoler sous l'influence de la répulsion électrostatique. La gravité est trop faible pour fournir cela ; De toute évidence, une sorte d’interaction est nécessaire, d’ailleurs plus forte qu’électromagnétique. On l'a découvert par la suite. Il s’est avéré que, bien que l’interaction forte dépasse largement toutes les autres interactions fondamentales en termes d’ampleur, elle n’est pas ressentie en dehors du noyau. Comme dans le cas d’une interaction faible, le champ d’action nouvelle force s'est avéré très petit : l'interaction forte se manifeste à une distance déterminée par la taille du noyau, c'est-à-dire environ 10 à 13 cm. De plus, il s'est avéré que toutes les particules ne subissent pas une forte interaction. Ainsi, les protons et les neutrons en font l’expérience, mais les électrons, les neutrinos et les photons n’y sont pas soumis. Habituellement, seules les particules lourdes participent aux interactions fortes. Il est responsable de la formation des noyaux et de nombreuses interactions de particules élémentaires.

L’explication théorique de la nature de l’interaction forte a été difficile à développer. Une percée n'est apparue qu'au début des années 60, lorsque le modèle des quarks a été proposé. Dans cette théorie, les neutrons et les protons ne sont pas considérés comme des particules élémentaires, mais comme des systèmes composites construits à partir de quarks.

Ainsi, en principe interactions physiques la différence entre les forces à longue et à courte portée est clairement visible. D'une part, des interactions de rayon illimité (gravité, électromagnétisme), et d'autre part, de petit rayon (fort et faible). Le monde des processus physiques se déroule à l'intérieur des limites de ces deux polarités et est l'incarnation de l'unité de l'extrêmement petit et de l'extrêmement grand : action à courte portée dans le micromonde et action à longue portée dans tout l'Univers.

Faible interaction.K La physique a progressé lentement vers l’identification de l’existence de l’interaction faible. La force faible est responsable de la désintégration des particules ; et c'est pourquoi sa manifestation a été confrontée à la découverte de la radioactivité et à l'étude de la désintégration bêta.
La désintégration bêta a révélé une caractéristique extrêmement étrange. Les recherches ont conduit à la conclusion que cette désintégration semblait violer l'une des lois fondamentales de la physique : la loi de conservation de l'énergie. Il semblait qu'une partie de l'énergie disparaissait quelque part. Pour « sauver » la loi de conservation de l'énergie, W. Pauli a suggéré que lors de la désintégration bêta, une autre particule s'envole avec l'électron, emportant avec elle l'énergie manquante. Il est neutre et possède un pouvoir pénétrant inhabituellement élevé, ce qui fait qu'il n'a pas pu être observé. E. Fermi a appelé la particule invisible « neutrino ».
Mais la prévision des neutrinos n’est que le début du problème, sa formulation. Il était nécessaire d’expliquer la nature des neutrinos, mais il restait ici beaucoup de mystère. Le fait est que les électrons et les neutrinos étaient émis par des noyaux instables. Mais il a été prouvé de manière irréfutable qu’il n’existe pas de telles particules à l’intérieur des noyaux. À propos de leur apparition, il a été suggéré que les électrons et les neutrinos n’existent pas dans le noyau sous une « forme prête à l’emploi », mais qu’ils sont d’une manière ou d’une autre formés à partir de l’énergie du noyau radioactif. D'autres études ont montré que les neutrons contenus dans le noyau, laissés à eux-mêmes, se désintègrent après quelques minutes en proton, électron et neutrino, c'est-à-dire au lieu d'une particule, trois nouvelles apparaissent. L'analyse a conduit à la conclusion que les forces connues ne pouvaient pas provoquer une telle désintégration. Il a apparemment été généré par une autre force inconnue. Des recherches ont montré que cette force correspond à une interaction faible.
L’interaction faible est nettement plus petite en ampleur que toutes les interactions

interactions autres que gravitationnelles, et dans les systèmes où il est présent, ses effets sont éclipsés par des interactions électromagnétiques et fortes. De plus, l’interaction faible se propage sur de très petites distances. Le rayon de l’interaction faible est très petit. L'interaction faible s'arrête à une distance supérieure à 10-16 cm de la source et ne peut donc pas influencer les objets macroscopiques, mais se limite au microcosme, aux particules subatomiques. Lorsque la découverte, semblable à une avalanche, de nombreuses particules subnucléaires instables a commencé, il a été découvert que la plupart d'entre elles participaient à des interactions faibles.

Forte interaction.Dernier Parmi les interactions fondamentales se trouve l’interaction forte, qui est une source d’énergie énorme. L’exemple le plus typique d’énergie libérée par une interaction forte est le Soleil. Dans les profondeurs du Soleil et des étoiles, des réactions thermonucléaires se produisent continuellement, provoquées par de fortes interactions. Mais l'homme a aussi appris à déclencher des interactions fortes : une bombe à hydrogène a été créée, des technologies de réactions thermonucléaires contrôlées ont été conçues et améliorées.
La physique est arrivée à l'idée de l'existence d'une interaction forte lors de l'étude de la structure du noyau atomique. Une certaine force doit retenir les protons chargés positivement dans le noyau, les empêchant de s'envoler sous l'influence de la répulsion électrostatique. La gravité est trop faible pour fournir cela ; De toute évidence, une sorte d’interaction est nécessaire, d’ailleurs plus forte qu’électromagnétique. On l'a découvert par la suite. Il s’est avéré que, bien que l’interaction forte dépasse largement toutes les autres interactions fondamentales en termes d’ampleur, elle n’est pas ressentie en dehors du noyau. Comme dans le cas de l'interaction faible, le rayon d'action de la nouvelle force s'est avéré très petit : l'interaction forte se manifeste à une distance déterminée par la taille du noyau, c'est-à-dire environ 10 à 13 cm. De plus, il s'est avéré que toutes les particules ne subissent pas une forte interaction. Ainsi, les protons et les neutrons en font l’expérience, mais les électrons, les neutrinos et les photons n’y sont pas soumis. Habituellement, seules les particules lourdes participent aux interactions fortes. Il est responsable de la formation des noyaux et de nombreuses interactions de particules élémentaires.
L’explication théorique de la nature de l’interaction forte a été difficile à développer. Une percée n'est apparue qu'au début des années 60, lorsque le modèle des quarks a été proposé. Dans cette théorie, les neutrons et les protons ne sont pas considérés comme des particules élémentaires, mais comme des systèmes composites construits à partir de quarks.

Interaction gravitationnelle existe entre toutes les particules élémentaires et détermine l'attraction gravitationnelle de tous les corps les uns vers les autres à n'importe quelle distance (voir loi de la gravitation universelle) ; il est négligeable dans les processus physiques du microcosme, mais joue un rôle majeur, par exemple, dans la cosmogonie. Faible interaction ne se manifeste qu'à des distances d'environ 10 à 18 m et provoque des processus de désintégration (par exemple, désintégration bêta de certaines particules élémentaires et

noyaux). L'interaction électromagnétique existe à n'importe quelle distance entre des particules élémentaires ayant une charge électrique ou un moment magnétique ; en particulier, il détermine la connexion entre les électrons et les noyaux dans les atomes, et est également responsable de tous les types un rayonnement électromagnétique. Une forte interaction se manifeste à des distances d'environ 10 à 15 m et détermine l'existence de noyaux atomiques.