Oddziaływanie słabe jest jednym z czterech
oddziaływań
uznanych za
podstawowe
. Przenoszone jest za pomocą jednej z trzech masywnych cząstek:
bozonów naładowanych
(W+ i W-) oraz
bozonu neutralnego
(Z0). Jest odpowiedzialne za
rozpad beta
i związaną z nim
radioaktywność
oraz za rozpad np.
mionu
i
cząstek dziwnych
. Siła oddziaływania słabego jest 109 razy mniejsza niż siła
oddziaływania silnego
. Jest zbyt słabe, by połączyć
leptony
w większe cząstki, tak jak oddziaływania silne łączą w
hadronach
kwarki
.
Właściwości
Oddziaływaniu słabemu podlegają wszystkie
lewoskrętne
leptony i kwarki oraz ich prawoskrętne
antycząstki
. Tzn. tylko one posiadają ładunek oddziaływania słabego (ładunek słaby). Jest to to również jedyna siła działająca na lewoskrętne
neutrina
(z wyjątkiem
grawitacji
, która w warunkach laboratoryjnych jest zaniedbywalna). Dlatego też nie obserwujemy prawoskrętnych neutrin, gdyż jeśli istnieją, to nie podlegają żadnym oddziaływaniom oprócz grawitacji. Oddziaływanie słabe jest wyjątkowe z kilku powodów.
- Jest to jedyne oddziaływanie zdolne do zmiany
zapachu cząstki
.
- Jest to jedyne oddziaływanie, która łamie symetrię
parzystości
P (gdyż prawie wyłącznie działa na lewoskrętne cząstki). Również jako jedyne łamie
symetrię parzystości ładunkowej
C oraz w niewielkim stopniu złożenie symetrii CP.
- Jest przenoszone przez masywne
bozony cechowania
. Ta niezwykła właściwość jest w
Modelu Standardowym
tłumaczona przez
mechanizm Higgsa
.
Z powodu wielkiej masy cząstek przenoszących słabe oddziaływania (ok. 90 GeV/c2), ich czas życia wynosi ok. 3×10−25 s. A stąd wynika bardzo ograniczony zasięg tego oddziaływania (10-18 m, czyli 100 milionów razy mniej niż rozmiary atomu wodoru).
Diagram Feynmana
dla rozpadu beta minus neutronu na proton, elektron i antyneutrino elektronowe poprzez wymianę ciężkiego bozonu W
− Ponieważ oddziaływanie słabe jest bardzo słabe (stąd nazwa) i ma bardzo mały zasięg, jego efekty są zauważalne głównie z powodu jego unikalnej cechy, jaką jest zmiana zapachu. Przyjrzyjmy się
neutronowi
(skład kwarkowy: udd, tzn. jeden kwark górny i dwa kwarki dolne). Mimo że neutron jest cięższy od swojego siostrzanego
nukleonu
, czyli
protonu
(skład kwarkowy: uud), jego rozpad na proton nie może zajść bez zmiany zapachu jednego z jego dolnych kwarków. Ani oddziaływanie silne, ani
elektromagnetyczne
nie zezwalają na zmianę zapachu, więc musi się to odbywać poprzez słaby rozpad. Proces ten polega na zamianie dolnego kwarku w neutronie na kwark górny, przy jednoczesnej emisji bozonu W−, który następnie rozpada się na wysokoenergetyczny
elektron
i
antyneutrino
. Ponieważ wysokoenergetyczny elektrony to tzw.
promieniowanie beta
, więc rozpad ten nazywamy rozpadem beta.
Z powodu słabości słabego oddziaływania, słabe rozpady zachodzą dużo wolniej niż rozpady silne lub elektromagnetyczne. Na przykład
czas życia
neutralnego
pionu
, podlegającego rozpadowi elektromagnetycznemu wynosi ok. 10−16 s, natomiast czas życia rozpadającego się słabo pionu naładowanego wynosi ok. 10−8 s, czyli jest 100 mln razy dłuższy. Swobodny neutron żyje ok. 15 minut, co czyni z niego niestabilną subatomową cząstkę o najdłuższym znanym czasie życia.
Typy oddziaływań
Istnieją trzy podstawowe typy wierzchołków oddziaływania słabego. Dwa z nich związane są z naładowanymi bozonami, są to tzw. "oddziaływania przez prądy naładowane". Trzeci typ to tzw. "oddziaływanie przez prądy neutralne".
- Naładowany lepton (jak elektron czy mion) może wyemitować lub zaabsorbować bozon W i zamienić się w odpowiednie neutrino.
- Kwark o ładunku -1/3 może wyemitować lub zaabsorbować bozon W i zamienić się w superpozycję kwarków o ładunku +2/3, albo odwrotnie, kwark o ładunku +2/3 może zamienić się w superpozycję kwarków o ładunku -1/3. Dokładny skład tej superpozycji jest określony przez
macierz CKM
. Oznacza to, że kwarki najczęściej przechodzą w wyniku oddziaływań słabych w kwarki z tej samej rodziny, np. u → d. Jednak istnieje niezerowe prawdopodobieństwo przejścia kwarków w kwarki innych rodzin.
- Zarówno lepton jak i kwark może wyemitować lub zaabsorbować bozon Z.
Dwa typy oddziaływać przez prądy naładowane są łącznie odpowiedzialne za zjawisko rozpadu beta. Oddziaływanie przez prądy neutralne zostało zaobserwowane po raz pierwszy w roku 1974 w eksperymentach polegających na rozpraszaniu neutrin oraz w 1983 w eksperymentach akceleratorowych.
Łamanie symetrii
Długo uważano, że prawa natury są niezmienne względem lustrzanego odbicia, czyli odwrócenia wszystkich osi przestrzennych. Tzn. oczekiwano, że wyniki eksperymentu oglądanego w lustrze będą identyczne z wynikami doświadczenia przeprowadzonego na lustrzanej kopii aparatury. Było wiadomo, że to tzw. prawo zachowania parzystości jest zachowane przez oddziaływania silne i elektromagnetyczne. Stąd przypuszczano, że jest ono uniwersalne. Jednakże w połowie lat 50 ubiegłego wieku
Chen Ning Yang
i
Tsung-Dao Lee
zasugerowali, że w słabych oddziaływaniach to prawo może być łamane. W 1957
Chien-Shiung Wu
wraz ze współpracownikami odkryła, że słabe oddziaływania faktycznie w maksymalnym stopniu łamią parzystość. Yang i Lee otrzymali za swoją teorię
nagrodę Nobla
.
Brak symetrii parzystości C i P w oddziaływaniach słabych, to tzw. maksymalne pogwałcenie symetrii. Jest to odmiana symetrii przybliżonej, gdzie obserwuje się kompletny brak symetrii. Nie jest to natomiast zjawisko tożsame ze
spontanicznym łamaniem symetrii
, chociaż może być konsekwencją spontanicznego łamania.
Słabe oddziaływania były opisywane przez
teorię Fermiego
jako bezpośrednie spotkanie czterech oddziałujących z sobą
fermionów
, jednak odkrycie łamania parzystości oraz
renormalizacji
sugerowało, że potrzebne jest inne podejście. W 1957 Robert Marshak i George Sudarshan, a następnie również
Richard Feynman
i
Murray Gell-Mann
zaproponowali dla słabych oddziaływań
lagranżjan
typu V-A, czyli
wektor
minus
pseudowektor
. W takiej teorii słabo oddziałują jedynie lewoskrętne cząstki (i prawoskrętne antycząstki). Ponieważ pod wpływem lustrzanego odbicia lewoskrętna cząstka zamienia się na prawoskrętną cząstkę, tłumaczy to maksymalne łamanie parzystości.
Teoria ta zezwalała jednocześnie na zachowanie symetrii CP. CP to złożenie symetrii parzystości P (odbicie lustrzane) ze sprzężeniem ładunkowym C (zamiana cząstek na antycząstki). Kolejną niespodzianką była dostarczenie przez
Jamesa Cronina
i
Vala Fitcha
w 1964 dowodów łamania symetrii CP w rozpadzie
kaonów
. Dzięki temu odkryciu otrzymali w 1980 roku nagrodę Nobla. W przeciwieństwie do łamania parzystości, CP jest łamane w bardzo niewielkim stopniu.
Teoria oddziaływań elektrosłabych
Oddziaływanie elektromagnetyczne oraz oddziaływanie słabe według Modelu Standardowego mogą być opisane jako dwa aspekty jednego oddziaływania nazywanego
elektrosłabym
. Teoria ta została rozwinięta ok. 1968 przez
Sheldona Glashowa
,
Abdusa Salama
i
Stevena Weinberga
, za co w roku 1979 zostali uhonorowanie nagrodą Nobla w dziedzinie fizyki.
Według teorii elektrosłabej przy bardzo wysokich energiach istnieją cztery bezmasowe bozony cechowania podobne do
fotonu
oraz dublet zespolonych skalarnych pól Higgsa. Bozony cechowania są związane z symetrią cechowania SU(2) ×U(1). Jednak przy niskich energiach bozony te sprzęgają się z polem Higgsa, co trzem z nich nadaje masę. Te trzy bozony stają się bozonami oddziaływań słabych W+, W– i Z, natomiast czwarty, który pozostaje bezmasowy jest fotonem oddziaływań elektromagnetycznych.
Mimo, że teoria ta pozwoliła przewidzieć pewne wielkości, m.in. przewidziała masy bozonów Z i W przed ich odkryciem, to bozon Higgsa do tej pory nie został zaobserwowany. Produkcja bozonu Higgsa będzie głównym celem
Wielkiego Zderzacza Hadronów
W
CERNie
.
Zobacz też