Слабые взаимодействия
В 1896 г. французский ученый Анри Беккерель обнаружил радиоактивность урана. Это был первый экспериментальный сигнал о неизвестных до того силах природы — слабом взаимодействии. Теперь мы знаем, что слабое взаимодействие кроется за многими привычными явлениями, — например, оно принимает участие в некоторых термоядерных реакциях, поддерживающих излучение Солнца и других звезд.
Название «слабое» досталось этому взаимодействию по недоразумению, — так, для протона оно в 1033 раз сильнее гравитационного взаимодействия (см. Тяготение, Единство сил природы). Это, скорее, разрушительное взаимодействие, единственная сила природы, которая не скрепляет вещество, а только разрушает его. Можно было назвать его и «беспринципным», так как в разрушении оно не считается с принципами пространственной четности и временной обратимости, которые соблюдают остальные силы.
Основные свойства слабого взаимодействия стали известны еще в 1930-х гг., главным образом благодаря работам итальянского физика Э. Ферми. Оказалось, что, в отличие от гравитационных и электрических, слабые силы имеют очень малый радиус действия. В те годы казалось, что радиуса действия вообще нет — взаимодействие происходит в одной точке пространства, и к тому же мгновенно. Это взаимодействие виртуально (на короткое время) превращает каждый протон ядра в нейтрон, позитрон — в позитрон и нейтрино, а каждый нейтрон — в протон, электрон и антинейтрино. В стабильных ядрах (см. Ядро атомное) эти превращения так и остаются виртуальными, подобно виртуальным рождениям электрон-позитронных пар или протон-антипротонных пар в вакууме. Если разница масс ядер, отличающихся на единицу по заряду, достаточно велика, эти виртуальные превращения делаются реальными, и ядро изменяет свой заряд на 1, выбрасывая электрон и антинейтрино (электронный β-распад) или позитрон и нейтрино (позитронный β-распад). Нейтроны имеют массу, превышающую приблизительно на 1 МэВ сумму масс протона и электрсгна. Поэтому свободный нейтрон распадается на протон, электрон и антинейтрино с выделением энергии приблизительно 1 МэВ. Время жизни свободного нейтрона примерно 10 мин, хотя в связанном состоянии, например, в дейтоне, который состоит из нейтрона и протона, эти частицы живут неограниченно долго.
Аналогичное событие происходит с мюоном (см. Лептоны) — он распадается на электрон, нейтрино и антинейтрино. Перед тем как распасться, мюон живет около 10-6 с — гораздо меньше, чем нейтрон. Теория Ферми объясняла это разницей масс участвующих частиц. Чем больше энергии выделяется при распаде, тем быстрее он идет. Выделение энергии при μ-распаде около 100 МэВ, примерно в 100 раз больше, чем при распаде нейтрона. Время жизни частицы обратно пропорционально пятой степени этой энергии.
Как выяснилось в последние десятилетия, слабое взаимодействие нелокально, т. е. оно происходит не мгновенно и не в одной точке. По современной теории, слабое взаимодействие передается не мгновенно, а виртуальная пара электрон — антинейтрино рождается через 10-26 с после того, как мюон переходит в нейтрино, и происходит это на расстоянии 10-16 см. Ни одна линейка, ни один микроскоп не могут, конечно, измерить такое малое расстояние, так же как ни один секундомер не может измерить такой малый интервал времени. Как это почти всегда бывает, в современной физике мы должны довольствоваться косвенными данными. Физики строят различные гипотезы о механизме процесса и проверяют всевозможные следствия этих гипотез. Те гипотезы, которые противоречат хотя бы одному достоверному опыту, отметаются, а для проверки оставшихся ставятся новые опыты. Этот процесс в случае слабого взаимодействия продолжался около 40 лет, пока физики не пришли к убеждению, что слабое взаимодействие переносится сверхмассивными частицами — в 100 раз тяжелее протона. Эти частицы имеют спин 1 и называются векторными бозонами (открыты в 1983 г. в ЦЕРНе, Швейцария — Франция).
Есть два заряженных векторных бозона W+, W- и один нейтральный Z0 (значок вверху, как обычно, указывает заряд в единицах протонного). В распадах нейтрона и мюона «работает» заряженный векторный бозон W-. Ход распада мюона изображен на рис. (вверху, справа). Такие рисунки называют диаграммами Фейнмана, они не только иллюстрируют процесс, но и помогают его рассчитать. Это своего рода стенографическая запись формулы для вероятности реакции; здесь она используется только для иллюстрации.
Мюон переходит в нейтрино, испуская W-бозон, который распадается на электрон и антинейтрино. Выделяемой энергии недостаточно для реального рождения W-бозона, поэтому он рождается виртуально, т. е. на очень короткое время. В данном случае это 10-26 с. За это время поле, соответствующее W-бозону, не успевает сформировать волну, или иначе, реальную частицу (см. Поля и частицы). Образуется сгусток поля размером 10-16 см, и через 10-26 с из него рождаются электрон и антинейтрино.
Для распада нейтрона можно было бы нарисовать такую же диаграмму, но тут она уже ввела бы нас в заблуждение. Дело в том, что размер нейтрона 10-13 см, что в 1000 раз больше радиуса действия слабых сил. Поэтому эти силы действуют внутри нейтрона, где находятся кварки. Один из трех кварков нейтрона испускает W-бозон, переходя при этом в другой кварк. Заряды кварков в нейтроне: -1/3, -1/3 и +2/3, так что один из двух кварков с отрицательным зарядом -1/3 переходит в кварк с положительным зарядом +2/3. В результате получатся кварки с зарядами -1/3, 2/3, 2/3, составляющие вместе протон. Продукты реакции — электрон и антинейтрино — беспрепятственно вылетают из протона. Но ведь кварк, испустивший W-бозон, получил отдачу и начал двигаться в противоположном направлении. Почему же он не вылетает?
Его удерживает сильное взаимодействие. Это взаимодействие увлечет за кварком его двух неразлучных спутников, в результате чего получится движущийся протон. По аналогичной схеме происходят слабые распады (связанные со слабым взаимодействием) остальных адронов. Все они сводятся к испусканию векторного бозона одним из кварков, переходу этого векторного бозона в лептоны (μ-, e-, τ- и ν-частицы) и дальнейшему разлету продуктов реакции.
Иногда, впрочем, происходят и адронные распады: векторный бозон может распасться на пару кварк — антикварк, которая перейдет в мезоны.
Итак, большое количество различных реакций сводится к взаимодействию кварков и лептонов с векторными бозонами. Это взаимодействие универсально, т. е. одинаково для кварков и лептонов. Универсальность слабого взаимодействия в отличие от универсальности гравитационного или электромагнитного взаимодействия не получила пока исчерпывающего объяснения. В современных теориях слабое взаимодействие объединяется с электромагнитным взаимодействием (см. Единство сил природы).
О нарушении симметрии слабым взаимодействием см. Четность, Нейтрино. В статье Единство сил природы рассказано о месте слабых сил в картине микромира.
