Úvod
Slabá interakce(také známá jakoslabá sílaneboslabá síla) jako jedna ze čtyř základních přírodních sil a další tři, podmagnetická síla je silná radiální jaderná síla jsou tím způsobeny mikročástice Slabá interakce má vliv na všechny fermiony, tedy na všechny částice s polopravými rotacemi.
Inthestandardmodelofparticlephysics,thetheoryofweakinteractionpointsoutthatitiscausedbytheexchange(emissionandabsorption)oftheWandZbosons,becausetheweakforceiscausedbytheglassItiscausedbytheemission(orabsorption)ofdice,soitisanon-contactforce.Themostfamousofthistypeofemissionisbetadecay,whichisamanifestationofradioactivity.Heavyparticlesareunstable.SinceZandWbosonsaremuchheavierthanprotonsorneutrons,thedistanceofweakinteractionisveryshort.Thiskindofinteractioniscalled"weak"becausetheprobabilityofβdecayismuchlowerthanthatofstronginteraction,whichmeansthatitsgeneralstrengthisseveralordersofmagnitudeweakerthanelectromagneticandstrongnuclearforces.Afteraperiodoftime,mostparticleswilldecaythroughweakinteractions.Weakinteractionshaveauniquecharacteristic—thatis,quarktastechanges—thatotherinteractionscannotdo.Inaddition,itwilldestroyparitysymmetryandCPsymmetry.Thetastechangeofquarkallowsquarktobeinterchangedamongthesix"flavors".
Theearliestdescriptionofweakforcewasinthe1930s.ItwastheFermitheoryofthefour-fermioncontactinteraction:contactmeansnodistance(thatis,completelyphysicalcontact).Butnowitisbettertodescribeitintermsofafieldwitharangeofaction,eventhoughthatdistanceisveryshort.In1968,theelectromagneticandweakinteractionswereunified.Theyaretwoaspectsofthesameforce,whicharenowcalledweakelectricinteractions.
Weakinteractionsaremostobviousinthebetadecayofparticles,andalsointheprocessofproducingheavyhydrogenandheliumfromhydrogen(theenergysourceforstellarthermonuclearreactions).Radiocarbondatingusesthistypeofdecay,wherecarbon-14decaysintonitrogen-14throughweakinteractions.Itcanalsocreateradiantcoldlight,whichiscommoninsuperheavyhydrogenlighting;italsocreatestheapplicationfieldofβvolts(usingβ-rayelectronsaselectriccurrent).
Vlastnosti
Slabé interakce mají následující vlastnosti:
Jediná interakce, která může změnit chuť kvarku.
Jediná interakce, která činí paritu nekonzervativní. Proto je to také jediná interakce, která narušuje CPsymetrii.
Interakce zprostředkovávaná hmotnostním bosonem. Tuto neobvyklou funkci lze odvodit z Higgsova mechanismu Standardního modelu.
Vzhledem k velkému množství bosonů je možnost slabého rozpadu ve srovnání se silným elektromagnetickým rozpadem relativně nízká, takže se vyskytuje pomaleji. Když například neutrální pion prochází elektromagnetickým rozpadem, jeho životnost je přibližně 10nabití 10 síla,jeho životnost je asi 10-8sekund, což je stomilionkrát první.Nesrovnání ,životnost volného neutronu (který se rozkládá slabými interakcemi) je asi 15 minut.
Foralongtime,peoplethoughtthatthelawsofnaturewouldremainunchangedaftermirrorreflection,whichisequivalenttoreversingallspatialaxes.Thatistosay,lookingattheexperimentinthemirror,andlookingattheexperimentafterturningtheexperimentalequipmentintothemirrordirection,theresultsofthetwoexperimentswillbethesame.Thisso-calledlawiscalledtheconservationofparity.Classicalgravity,electromagneticandstronginteractionallobeythislaw;itisassumedtobeauniversallaw.However,inthemid-1950s,YangZhenningandLiZhengdaoproposedthatweakinteractionsmightbreakthislaw.WuJianxiongandhiscolleaguesdiscoveredthenon-conservationofparityinweakinteractionsin1957,andbroughtYangZhenningandLiZhengdaothe1957NobelPrizeinPhysics.
AlthoughFermitheorycanbeusedtodescribeweakinteractionsbefore,afterthediscoveryofparitynon-conservationandrenormalizationtheories,weakinteractionsneedanewdescriptionmethod.In1957,RobertMasakandGeorgeSudarshan,andlaterRichardFeynmanandMurrayGellman,proposedtheweakinteractionV-A(vectorVminusaxisvectorAorlefthand)Lagrangian.Inthissetoftheories,weakinteractionsonlyactonleft-handedparticles(orright-handedantiparticles).Sincethemirrorreflectionoftheleft-handedparticleisthatoftheright-handedparticle,thisexplainsthegreatestdestructionofparity.Interestingly,sincetheZbosonhasnotbeendiscoveredduringthedevelopmentofV-A,thetheorydoesnotincludetheright-handfieldthatenterstheneutralflowinteraction.
However,thistheoryallowstheconservationofcompoundsymmetryCP.CPconsistsoftwoparts,parityP(leftandrightinterchange)andchargeconjugateC(replacingparticleswithantiparticles).Adiscoveryin1964wascompletelyunexpectedbyphysicists.JamesCroninandValFitchusedKmesondecaytoprovideclearevidenceforCPsymmetrybreakingundertheactionofweakphases,andthetwoobtained1980TheNobelPrizeinPhysicsoftheYear.MakotoKobayashiandToshihideMaskawapointedoutin1972thatCPdestructionofweakinteractionrequiresmorethantwogenerationsofparticles.Therefore,thisdiscoveryactuallypredictedtheexistenceofthird-generationparticles,andthispredictionbroughtthemin2008.HalftheNobelPrizeinPhysics.Unlikeparitynon-conservation,theprobabilityofCPdestructionisnothigh,butitisstillakeytosolvingtheimbalanceofmatterandantimatterintheuniverse;itthereforebecomesthethreeconditionsofAndreySakharov’sbaryonproductionprocessone.
Typy interakcí
Existují dva typy slabých interakcí. První se nazývá "interakce zátěžového toku", protože částice zodpovědné za přenos se nabíjejí (W+nebo W−) a způsobuje βrozpad. Druhá se nazývá "interakce s neutrálním tokem, která je způsobena přenosem "neutrálního toku" ).
Interakce toku zátěže
V jedné z interakcí toku zátěže může nabitý lepton (jako je jeden elektron nebo s nábojem -1) absorbovatW+
Boson(náboj je+1)a poté převeden na odpovídající neutrino(náboj je0)atyp(generace)neutrina(elektron,μandτ)před interakcíLeptony jsou stejné, například:
Podobně může spodní kvark (náboj −⁄3) projít EmitaW-boson,neborabsorbaW+boson, aby se přeměnil na kvark typu anup (náboj +⁄3). Přesněji řečeno, kvark down-type se stane typem kvanta-super :to znamená, že má možnost přeměny na jakýkoli ze tří kvarků typu kvarků a velikost možnosti je popsána maticí CKM. Naopak kvark typu anup canemitaW+boson,neboabsorbaW–boson,a pak převést na kvark nižšího typu:
Protože Wboson je velmi nestabilní, má krátkou životnost a rychle se rozkládá. Například:
Wboson se může rozkládat na jiné produkty, možnost je jiná.
Intheso-calledbetadecayofneutrons(seethefigureabove),thelowerquarkintheneutronemitsavirtualW-boson,whichistransformedintoanupperquark,andtheneutronistransformedaccordinglyIntoaproton.Duetotheenergyintheprocess(thatis,thedifferenceinmassbetweenthelowerquarkandtheupperquark),W−canonlybetransformedintoanelectronandacounter-electronneutrino.Atthequarklevel,theprocesscanbedescribedbythefollowingformula:
Interakce s neutrálním tokem
Nečinnost,aquarkoralepton(např.elektronormuon)emitsoabsorbujeneutrálníZboson.Příklad:
Stejně jako Wboson se Zboson také rychle rozpadne, například:
Electroweaktheory
Inthedescriptionofthestandardmodelofparticlephysics,weakinteractionandelectromagneticinteractionaredifferentaspectsofthesamekindofinteraction,calledweakelectricityInteraction,thistheorywaspublishedin1968,developedbySheldonGlashaw,AbdulSalamandStevenWeinberg.TheirresearchwasaffirmedbytheNobelPrizeinPhysicsin1979.TheHiggsmechanismexplainstheexistenceofthreemassivebosons(threeweaklyinteractingcarriers),aswellasmasslessphotonswithelectromagneticinteraction.
Accordingtotheelectroweaktheory,whentheenergyisveryhigh,therearefourmasslessgaugebosonfieldsintheuniverse.Theyaresimilartophotons,andthereisadoublestateofthecomplexvectorHiggsfield.However,whentheenergyislow,gaugesymmetrywillspontaneouslybreakandbecomeU(1)symmetryofelectromagneticinteraction(oneoftheHiggsfieldhasavacuumexpectationvalue).Althoughthissymmetrybreakingwillproducethreemasslessbosons,theywillfusewiththreephoton-likefields,sothattheHiggsmechanismwillbringthemmass.ThesethreefieldsbecomeweaklyinteractingW+,W−,andZbosons,whilethefourthgaugefieldcontinuestoremainmassless,thatis,photonsofelectromagneticinteraction.
Althoughthistheorymakesseveralpredictions,includingthemassesoftheZandWbosonsbeforetheyarediscovered,theHiggsbosonitselfhasnotyetbeendiscovered.OneofthemaintasksoftheLargeHadronColliderundertheEuropeanOrganizationforNuclearResearchistoproducetheHiggsboson.OnMarch14,2013,theEuropeanOrganizationforNuclearResearchissuedapressreleaseofficiallyannouncingthedetectionofanewparticle,theHiggsboson.