Interacțiune slabă

În fizica interacțiunea slabă ( de asemenea , numit din motive istorice forță slabă sau forța nucleară slabă) este una dintre cele patru interacțiuni fundamentale . Este mecanismul dezintegrărilor radioactive ale atomilor.

Interacțiunea slabă acționează între leptoni și quarkuri (interacțiuni semileptonice), între numai leptoni (interacțiuni leptonice) și între numai quarkuri (interacțiuni non-leptonice) prin schimbul de bosoni W și Z , bosoni vectori cu masă. Este singura interacțiune care apare pe neutrini , care nu au nici sarcină electrică, nici culoare și au o masă atât de mică încât gravitația este neglijabilă.

La anumite niveluri de energie, interacțiunea slabă este unificată cu cea electromagnetică într-o singură interacțiune numită interacțiune electrovârgită .

Proprietate

Interacțiunea slabă este singura care provoacă o schimbare a încărcării aromelor particulelor implicate și este, de asemenea, singura care încalcă simetria parității P (deoarece acționează numai asupra particulelor stângaci), simetria sarcinii C și, de asemenea, produsul lor sau simetria CP .

Deoarece este mediată de bosoni gauge deosebit de masivi, interacțiunea slabă are o rază de interacțiune foarte mică și, prin urmare, se caracterizează prin decaderi foarte lente. Datorită masei mari de W și Z (aproximativ 80 ° C și 90 GeV / c ²), durata medie de viață a acestor bosoni este de aproximativ 3 x 10 ^{-24 secunde.} Acest aspect limitează considerabil domeniul de acțiune al interacțiunii slabe, care este astfel mai mult sau mai puțin de 10 ⁻¹⁸ metri, de aproximativ o mie de ori mai mic decât diametrul nucleului atomic . Intensitatea slabă a interacțiunii slabe face ca decăderile în care este implicată să fie mai lente decât cele electromagnetice (care au timpi de decădere tipici de ordinul a 10 ⁻¹⁶ secunde) sau cele legate de interacțiunea puternică (cu timpii de decădere de ordinea a 10 ⁻²³ secunde).

De exemplu, un pion neutru se descompune electromagnetic în doi fotoni în 10 ⁻¹⁶ secunde, în timp ce un pion încărcat suferă o decădere slabă în 10 ⁻⁸ secunde, un timp de o sută de milioane de ori mai lung. Prin urmare, deși toți hadronii și leptonii experimentează interacțiunea slabă și, prin urmare, se pot descompune slab, urmează deseori decăderile puternice sau electromagnetice mai rapide. Totuși, acest lucru nu se poate întâmpla, de exemplu, pentru pionul încărcat menționat anterior, care, fiind cel mai ușor dintre hadroni, nu poate avea o descompunere non-leptonică și, datorită conservării sarcinii electrice, nu poate decădea în doi fotoni, ca și omologul său. Acest lucru explică, de asemenea, durata lungă de viață medie a unui neutron liber (aproximativ 15 minute): acesta descompune beta în protoni, electroni și antineutrini de electroni. Pe de altă parte, decăderea unui proton liber într-un neutron, pozitron și electron neutrino este interzisă din motive de masă.

Analizând decăderea neutronilor din punctul de vedere al quark-ului, putem vedea cum aceasta implică o schimbare de aromă între quark-urile implicate. Neutronul conține un quark cu aromă în sus și două în jos , în timp ce protonul conține doi quark în sus și un quark în jos. Deci, atunci când un neutron se descompune într-un proton, unul dintre quarkurile sale descendente își schimbă aroma și devine un quark ascendent. Nici forța nucleară puternică , nici electromagnetismul nu permit schimbarea aromei, așa că acest eveniment este reglementat de decăderea slabă. În acest proces, un quark descendent de neutroni se descompune într-un quark ascendent prin emisia unui boson W ^- care, la rândul său, se descompune, la scurt timp după aceea, într-un electron de mare energie și un electron antineutrino . Aceasta este ceea ce se numește descompunere beta negativă .

Tipuri de interacțiune

Există două tipuri de interacțiuni slabe (numite vârfuri în limbajul modelului standard). Primul tip se numește „interacțiune cu curent încărcat”, deoarece este mediat de particule încărcate electric (bosonii W ⁺ și W ^- ). Este responsabil pentru decăderea beta . Al doilea tip se numește „interacțiune cu curent neutru”, deoarece este mediat de o particulă neutră, bosonul Z ⁰ . Este responsabil pentru devierea (rară) a neutrinilor . Cele două tipuri de interacțiuni respectă reguli de selecție diferite.

Interacțiune curentă încărcată

Diagrama Feynman reprezentând negativ dezintegrarea beta : un „UDD“ neutroni se transformă într - un „Uud“ proton prin emisia unui W ^- boson, care la rândul său se desparte într - un electron și un electron antineutrino

Într-un tip de interacțiune curent încărcat, un lepton încărcat (de exemplu, un electron sau muon , având o sarcină de -1) poate absorbi un boson W ⁺ (o particulă încărcată +1) și, prin urmare, se poate transforma în neutrino corespunzător (cu 0 sarcină ), unde tipul („aroma”) neutrino (electron, muon sau tau) depinde de tipul de lepton din interacțiune, de exemplu:

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

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

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

În mod similar, un quark de tip descendent (d, cu încărcare - ^_1/3) poate fi convertit într-un quark de tip sus (u, cu încărcare + ^_2/3), emitând un boson W ^- sau absorbind un boson W ⁺ . Mai precis, quarkul de tip descendent devine o suprapunere a quarcurilor de tip sus: aceasta înseamnă că are probabilitatea de a deveni oricare dintre cele trei quarkuri de tip sus, cu probabilitățile determinate de matricea CKM . In schimb, un cuarc up poate emite un ⁺ boson W sau absorb W ^- boson, și , prin urmare , să fie transformat într - un cuarc în jos, de exemplu:

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

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

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

Bosonii W sunt instabili, cu o durată de viață foarte scurtă, deci se vor descompune rapid. De exemplu:

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

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

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

Bosonii W se pot descompune, cu probabilități variate, și în alte produse. ^[1]

În așa-numita descompunere beta a unui neutron (în figură), un quark descendent din interiorul neutronului emite un boson W ^- virtual și este transformat într-un quark sus, provocând conversia neutronului într-un proton. Datorită energiei implicate în proces (adică diferența de masă dintre quarkul descendent și quarkul sus), bosonul W ^{- se} poate converti doar într-un electron și un antineutrino de electroni. ^[2] La nivel de quark procesul poate fi reprezentat după cum urmează:

d\to u+e^{-}+{\bar {\nu }}_{e}~

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

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

Interacțiunea curentă neutră

În interacțiunile de curent neutru (slab) , un quark sau un lepton (de exemplu, un electron sau un muon ) emite sau absoarbe un boson Z neutru. De exemplu:

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

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

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

La fel ca și bosonii W ^± , și bosonul Z ⁰ se descompune rapid ^[1], de exemplu:

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

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

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

Spre deosebire de interacțiunea de curent încărcat, ale cărei reguli de selecție sunt strict limitate de chiralitate, sarcină electrică și izospin slab /, interacțiunea de curent neutru purtată de Z ⁰ poate provoca devierea oricărui doi fermioni ai modelului standard: atât particule cât și antiparticule, cu orice sarcină electrică și cu orice chiralitate, chiar dacă puterea interacțiunii variază. ^{[nb 1]}

Teoria slabă

Explicația lui Fermi din 1933 asupra decăderii beta nucleare a fost prototipul interacțiunii slabe. În analogie cu interacțiunea electromagnetică, Fermi descrie procesul slab ca o interacțiune punctuală a patru fermioni, cu constantă de cuplare $G.$ ${\ displaystyle G}$ $G.$ , numită constantă Fermi . Tranzițiile particulelor sunt descrise în termeni de curenți vectoriali, la fel ca și pentru electromagnetism, cu diferența că, în cazul slab, au o variație a sarcinii electrice. Nevoia unei teorii care era renormalizabilă și descoperirea încălcării parității au adus unele modificări teoriei.

Constanta Fermi

Constanta de cuplare $G.$ ${\ displaystyle G}$ $G.$ nu este adimensional (cum ar fi $Și$ ${\ displaystyle e}$ $Și$ în cazul electromagnetic), dar are dimensiunile [energiei] ⁻² . Acest lucru face ca teoria slabă să nu fie renormalizabilă. Situația poate fi rezolvată postulând că interacțiunile slabe se datorează emisiei și absorbției bosonilor vectoriali, așa cum se întâmplă cu fotonul în electromagnetism. În acest fel, interacțiunea este proporțională cu:

{\frac {g^{2}}{(M^{2}-q^{2})}}

{\ displaystyle {\ frac {g ^ {2}} {(M ^ {2} -q ^ {2})}}}

{\ frac {g ^ {2}} {(M ^ {2} -q ^ {2})}}

unde este $g$ ${\ displaystyle g}$ $g$ este „adevărata” constantă de cuplare slabă, adimensională, $M.$ ${\ displaystyle M}$ $M.$ este masa vectorului boson e $q$ ${\ displaystyle q}$ $q$ este momentul purtat de ea. Prin urmare, pentru orice eventualitate

q^{2}\ll M^{2}

{\ displaystyle q ^ {2} \ ll M ^ {2}}

q ^ {2} \ ll M ^ {2}

(ca și în cazul descompunerii beta), există o interacțiune punctuală, cu o constantă de cuplare proporțională cu $G.$ ${\ displaystyle G}$ $G.$ de Fermi:

{\frac {G}{\sqrt {2}}}={\frac {g^{2}}{8M^{2}}}

{\ displaystyle {\ frac {G} {\ sqrt {2}}} = {\ frac {g ^ {2}} {8M ^ {2}}}}

{\ frac {G} {{\ sqrt 2}}} = {\ frac {g ^ {2}} {8M ^ {2}}}

Acest lucru arată, de asemenea, că interacțiunea slabă nu este slabă, deoarece constanta de cuplare este slabă $g$ ${\ displaystyle g}$ $g$ , dar de ce $M.$ ${\ displaystyle M}$ $M.$ e foarte mare. Dacă într-adevăr $g$ ${\ displaystyle g}$ $g$ era de ordinul $Și$ ${\ displaystyle e}$ $Și$ , apoi la energii de ordinul lui $M.$ ${\ displaystyle M}$ $M.$ și dincolo, interacțiunea slabă și electromagnetică ar avea aceeași intensitate.

Încălcarea simetriei P și C

S-a crezut mult timp că legile naturii au rămas aceleași sub acțiunea a ceea ce se numește acum simetrie P, care constă în inversarea tuturor axelor spațiale (mai simplu, constă în inversarea dreptului cu stânga și invers). Se credea că aceasta era o lege universală și experimentele au arătat că legile gravitației și electromagnetismului o respectau: de fapt, dacă o copie identică, dar speculară este făcută dintr-un aparat experimental care produce un anumit rezultat, ar trebui să ofere același lucru rezultat ca primul aparat.

În 1956 , Yang și Lee au propus că interacțiunea slabă ar putea încălca această simetrie. Lee și Yang au avansat această ipoteză pentru a explica așa-numitul puzzle $\theta -\tau$ ${\ displaystyle \ theta - \ tau}$ ${\ displaystyle \ theta - \ tau}$ : în anii 1950, au fost identificate două particule ( $\theta$ ${\ displaystyle \ theta}$ $\ theta$ Și $\tau$ ${\ displaystyle \ tau}$ $\ tau$ , de fapt) cu masă identică, dar cu două moduri de descompunere semi-leptone în stări finale de paritate opusă. Întrebarea era dacă cele două particule erau cu adevărat distincte sau la fel. Lee și Yang (corect) au susținut a doua ipoteză, conform căreia a existat o singură particulă care se descompune, încălcând paritatea, identificată apoi cu kaonul încărcat.

Confirmarea acestei ipoteze a venit în 1957 , din experimentul lui Wu și al colaboratorilor săi, făcându-i pe Yang și Lee să câștige Premiul Nobel pentru fizică în același an. Din experimentele lui Wu, reiese că doar neutrinii stângaci și antineutrinii dreptaci sunt implicați în interacțiunea slabă. Absența antineutrinilor stângaci și a neutrinilor dreptaci este o încălcare clară a parității. Dar, de asemenea, conjugarea sarcinii este încălcată, deoarece ar trebui să transforme un neutrino stângaci într-un antineutrino stângaci, care, totuși, nu este supus interacțiunii slabe.

În 1957 , Marshak și Sudarshan și, la scurt timp după aceea, Feynman și Gell-Mann au propus Lagrangianul $V-A$ ${\ displaystyle VA}$ $MERGE$ pentru a include încălcarea parității: în această teorie, interacțiunea slabă acționează numai asupra particulelor din stânga și asupra antiparticulelor corespunzătoare din dreapta, datorită aplicării unei operații de scădere între un vector și un vector axial sau stâng. Pentru fermionii fără masă, interacțiunile $V-A$ ${\ displaystyle VA}$ $MERGE$ păstrează helicitatea, prin urmare, în procesele care produc perechi de leptoni, ele apar cu helicități opuse. Pe de altă parte, fermionii masivi nu sunt produși în stări pure de helicitate, dar experimentele arată că sunt favorizate helicitățile opuse, una mai presus de toate decăderea pionului încărcat, pentru care canalul

\pi ^{-}\to e^{-}+\nu _{e}

{\ displaystyle \ pi ^ {-} \ to e ^ {-} + \ nu _ {e}}

{\ displaystyle \ pi ^ {-} \ to e ^ {-} + \ nu _ {e}}

este șters cu privire la:

\pi ^{-}\to \mu ^{-}+\nu _{\mu }

{\ displaystyle \ pi ^ {-} \ to \ mu ^ {-} + \ nu _ {\ mu}}

{\ displaystyle \ pi ^ {-} \ to \ mu ^ {-} + \ nu _ {\ mu}}

.

Universalitate slabă

Studiind decăderile leptonilor încărcați, s-a ajuns la concluzia că constanta de cuplare la bosonul W este aceeași pentru toate aromele de lepton; experimentele ulterioare au făcut posibilă extinderea universalității și la cuplarea cu bosonul Z.

Teoria lui Cabibbo și încălcarea CP

Cu toate acestea, constanta de cuplare este ușor diferită atunci când se calculează din dezintegrarea beta sau alte dezintegrări care implică hadroni. Un alt fapt inexplicabil al interacțiunii slabe a fost suprimarea decăderilor cu variație de ciudățenie , spre deosebire de cele cu ciudățenie constantă.

Soluția la ambele probleme vine din teoria lui Cabibbo . Conform acestei teorii, quarcii $d$ ${\ displaystyle d}$ $d$ și $s$ ${\ displaystyle s}$ $s$ care participă la interacțiunea slabă nu trebuie considerate stări de aromă pură, ci sunt în schimb rotite de un unghi de amestecare, numit unghi Cabibbo $\theta _{c}$ ${\ displaystyle \ theta _ {c}}$ $\ theta _ {c}$ . Deci, quarcii (cunoscuți în acel moment) care participă la interacțiunea slabă sunt grupați în dublet:

u,\quad d\cos \theta _{c}+s\sin \theta _{c}

{\ displaystyle u, \ quad d \ cos \ theta _ {c} + s \ sin \ theta _ {c}}

{\ displaystyle u, \ quad d \ cos \ theta _ {c} + s \ sin \ theta _ {c}}

Prin urmare, constanta de cuplare este aceeași pentru quarcuri și leptoni, doar pentru unele dezintegrări (cele fără variație de ciudățenie) cuplarea reală va fi $G\cos \theta _{c}$ ${\ displaystyle G \ cos \ theta _ {c}}$ ${\ displaystyle G \ cos \ theta _ {c}}$ , în timp ce, pentru tranziții cu variație de ciudățenie, cuplajul va fi $G\sin \theta _{c}$ ${\ displaystyle G \ sin \ theta _ {c}}$ ${\ displaystyle G \ sin \ theta _ {c}}$ .

Modelul lui Cabibbo prezice, de asemenea, existența proceselor de curent neutru cu schimbare de aromă, totuși niciodată observate. Pentru a explica suprimarea acestui tip de tranziții, Glashow , Iliopoulos și Maiani au propus în 1970 așa-numitul mecanism GIM , care implică o modificare a dubletelor datorită introducerii teoretice a unui nou quark, c , care va fi identificat doar experimental. 4 ani mai târziu.

Extinderea teoriei lui Cabibbo la trei familii de quarks se datorează lui Kobayashi și Maskawa . În 1973 , au introdus așa-numita matrice CKM , ale cărei elemente descriu modul în care stările de quark liber se „amestecă” în stările de aromă. Pentru trei familii de quarcuri, matricea CKM este compusă din 9 elemente, care pot fi reprezentate cu patru parametri: 3 unghiuri reale și o fază complexă, care introduce posibilitatea unei încălcări a simetriei timpului prin interacțiunea slabă. Prin teorema conservării CPT, aceasta implică faptul că teoria slabă pentru trei (sau mai multe) familii de quark admite încălcarea produsului CP.
Acest lucru permite să includă în teorie observațiile făcute în 1964 de Cronin și Fitch asupra decăderii kaonilor neutri, fiecare dintre acestea putând decădea în stări finale cu paritate CP opusă. Efectele acestei încălcări sunt mai mici decât cele ale simetriei P și au câștigat celor doi fizicieni Premiul Nobel în 1980 . Descoperirea quarkului b în 1977 confirmă existența celei de-a treia familii de quarks, care va fi finalizată abia în 1995 , cu identificarea quarkului t .

Teoria electro-slabă

Modelul standard descrie forța electromagnetică și interacțiunea slabă ca două aspecte ale aceleiași forțe, interacțiunea electro- slabă, a cărei descriere teoretică a fost formulată în jurul anului 1968 de Glashow , Salam și Weinberg , care au primit premiul pentru această lucrare Premiul Nobel pentru fizică în 1979 .

Potrivit teoriei electrovarabă, la energii foarte mari, care apar în câteva momente după Big Bang , universul are patru câmpuri vectoriale legate de o singură forță electrovariantă , exprimată de patru bosoni de ecartament fără masă , și un câmp de scalare a câmpului menționat de Higgs . Sub un anumit nivel de energie, mecanismul Higgs face ca câmpul Higgs să spargă în mod spontan simetria , care produce trei bosoni Goldstone , care sunt asimilați de trei din cele patru câmpuri electrodeficiente, asigurându-le masă. Cele trei câmpuri masive devin bosonii W și Z ai interacțiunii slabe, în timp ce al patrulea păstrează caracteristicile inițiale încă prezente în universul actual și este câmpul fără masă al fotonului responsabil de electromagnetism .

Teoria funcționează foarte bine și a permis formularea de predicții care s-au dovedit ulterior adevărate: una dintre acestea este estimarea masei bosonului Z. Cea mai așteptată și acum verificată predicție este cea referitoare la existența bosonului Higgs , care a reprezentat unul dintre scopurile pentru care a fost construit Marele Collider Hadron de la CERN .

Notă

^ ^a ^b K. Nakamura și colab . ( Particle Data Group ), Gauge și Higgs Bosons ( PDF ), în Journal of Physics G , vol. 37, 7A, 2010, p. 075021, Bibcode : 2010JPhG ... 37g5021N , DOI : 10.1088 / 0954-3899 / 37 / 7a / 075021 .
^ K. Nakamura și colab . ( Particle Data Group ), n ( PDF ), în Journal of Physics G , vol. 37, 2010, p. 7, Bibcode : 2010JPhG ... 37g5021N , DOI : 10.1088 / 0954-3899 / 37 / 7a / 075021 .

Perspective

^ Singurii fermioni cu care bosonul Z ⁰ nu interacționează sunt neutrinii ipotetici „sterili” : neutrini stângaci și dreapta. Sunt numite „sterile” deoarece nu ar interacționa cu niciuna dintre particulele model standard, dar rămân o ipoteză: nu există încă nicio dovadă a existenței lor.

Bibliografie

( EN ) F. Haltzen și AD Martin, Quark și Leptons , Wiley, 1984.
( EN ) D. Perkins, Introducere în fizica energiei înalte , Addison-Wesley, 2000.
B. Pohv, K. Rith, C. Scholz și F. Zetsche, Particule și nuclee , Bollati Boringhieri , 1998.

Elemente conexe

Alte proiecte

linkuri externe

slabe, interacțiuni , pe Treccani.it - Enciclopedii online , Institutul Enciclopediei Italiene .
( EN ) Interacțiune slabă , în Encyclopedia Britannica , Encyclopædia Britannica, Inc.

Controlul autorității	Tesauro BNCF 18661 · LCCN (EN) sh85145822 · GND (DE) 4129644-8 · BNF (FR) cb11958802q (dată) · BNE (ES) XX529197 (dată)

Portalul Energiei Nucleare

Portal mecanic

[PDG2-1] K. Nakamura și colab . ( Particle Data Group ), Gauge și Higgs Bosons ( PDF ), în Journal of Physics G , vol. 37, 7A, 2010, p. 075021, Bibcode : 2010JPhG ... 37g5021N , DOI : 10.1088 / 0954-3899 / 37 / 7a / 075021 .

[PDG3-2] K. Nakamura și colab . ( Particle Data Group ), n ( PDF ), în Journal of Physics G , vol. 37, 2010, p. 7, Bibcode : 2010JPhG ... 37g5021N , DOI : 10.1088 / 0954-3899 / 37 / 7a / 075021 .

[3] Singurii fermioni cu care bosonul Z ⁰ nu interacționează sunt neutrinii ipotetici „sterili” : neutrini stângaci și dreapta. Sunt numite „sterile” deoarece nu ar interacționa cu niciuna dintre particulele model standard, dar rămân o ipoteză: nu există încă nicio dovadă a existenței lor.

[1]

[2]

[nb 1]