Слабое взаимодействие

Слабое взаимодействие осуществляется виртуальными частицами-переносчиками, которые называют промежуточными бозонами.

Таких переносчиков три типа: W⁺, W^-, Z^о. Два бозона несут электрический заряд, численно равный заряду электрона, а третий электронейтрален. W-бозоны названы по первой букве английского названия взаимодействия: weak (слабое), Z-бозон получил своё имя от слова zero (ноль).

W⁺ является античастицей для W^-, Z-бозон не имеет античастицы (как и фотон, он истинно нейтрален). Все три бозона имеют огромные массы: в 80-90 раз больше массы протона, то есть почти как атомы середины таблицы Менделеева! Из-за этого они очень короткоживущие: соотношение неопределенностей допускает при таких массах время жизни порядка 10^-25 с.

Чрезвычайно малый радиус действия слабого взаимодействия (порядка 10^-18 м) связан именно с огромными массами частиц-переносчиков, ведь за время своей короткой жизни переносчик просто не успевает сильно удалиться от частицы-родителя.

Как любые виртуальные частицы, промежуточные бозоны могут стать реальными, если сообщить им энергию, превышающую энергию покоя mc². Так эти частицы были обнаружены в 1982-1983 гг. на ускорителе.

Виртуальные W и Z-бозоны испускаются как лептонами, так и кварками — ведь те и другие участвуют в слабом взаимодействии.

Что касается лептонов, то слабое взаимодействие приводит к превращению одних лептонов в другие. Вот как это происходит.

Допустим, мюон μ^- испустил виртуальный W^- бозон. Отдав ему свой электрический заряд (закон сохранения заряда даже при виртуальных процессах никогда не нарушается), мюон превратился в мюонное нейтрино. Виртуальный W- бозон вскоре распадается на электрон и электронное антинейтрино. Мы регистрируем общий итог процесса: распад мюона на электрон и два нейтрино. Аналогичным образом распадается таон.

Процесс распада мюона можно записать в виде уравнений реакций, как в химии.

Первый шаг: μ^-àW^- + v_μ

Второй шаг: W^-àe^- + v^~_e

Итог описывается уравнением: μ^-à e^- + v^~_e + v_μ

Что касается кварков, то слабое взаимодействие приводит к изменению аромата кварка. Когда кварк испускает виртуальный W-бозон, он меняет свой электрический заряд и, следовательно, аромат: верхний кварк превращается в нижний, и наоборот. Например, верхний u-кварк (заряд +2/3), родив виртуальный бозон W⁺, превращается в нижний d-кварк (заряд -1/3): _+2/3u -> _1/3d + W⁺. Виртуальный W+ бозон вскоре распадается на позитрон и электронное нейтрино: W⁺ -> e⁺ + v_e. В итоге мы наблюдаем изменение аромата кварка и появление позитрона с нейтрино: _+2/3u -> _1/3d + e⁺ + v_e.

Если этот процесс происходит внутри протона (кварковый состав которого uud), то после превращения одного из u-кварков в d-кварк получится нейтрон (кварковый состав которого udd). Протон может превратиться в нейтрон только внутри ядра — это будет позитронный бета-распад. А нейтрон может превращаться в протон и в ядре, и в свободном состоянии — ведь он тяжелее протона, и избыток (по сравнению с протоном) его энергии покоя переходит в кинетическую энергию вылетающих лептонов.

Слабое взаимодействие играет очень важную роль в природе. Так, без него погасло бы Солнце, так как внутри него остановился бы процесс превращения 4-х протонов в ядро гелия-4, являющийся основным источником энергии Солнца. В солнечном протон-протонном цикле 1-ая стадия — это реакция слияния двух протонов и образование ядра дейтерия. Она происходит в два этапа.

 

Сначала два протона образуют ядро гелия-2 (или дипротон), затем один из протонов путем позитронного распада превращается в нейтрон, так что получается ядро дейтерия (один протон и один нейтрон). Потом уже два ядра дейтерия объединяются в ядро гелия-4. Однако превращение протона в нейтрон за время существования дипротона является крайне редким событием. Чаще всего дипротон просто распадается на два протона. Поэтому 1-ая стадия протон-протонного звездного цикла очень медленная. Благодаря этому Солнце «сжигает» свой водород постепенно и горит долго.