3 Стандартен модел за начинаещи (3) / Слабо взаимодействие

Картинки: wikipedia

И така, всички фундаментални частици, които притежават електричен заряд си взаимодействат електромагнитно чрез обмен на фотони. Всички фундаментални частици, които притежават цвят (кварките) си взаимодействат силно чрез обмен на глюони. Този пост е посветен на слабото взаимодействие, което е леко невъзможно да бъде обяснено на достъпен език... Така че нека да видим дали при опита ще си счупя главата...

Слабото взаимодействие е отговорно за радиоактивното разпадане на ядрата и за синтеза на тежки елементи в звездите (картинката в началото на поста), така че колкото и мизерно да е по сила (за това следващия или по-следващия път), толкова е и важно за съществуването на живот на въглеродна основа. На това взаимодействие се подчиняват всички фермиони на метерията: шестте кварка, шестте лептона и античастиците им. Много грубо казано, заради слабото взаимодействие е възможно преминаването на един тип фермион в друг - например частица, съставена от кварки (зареден пион, който съдържа u и анти-d кварк), може да се разпадне на два лептона (мюон и мюонно неутрино):

Това, което е нарисувано с вълничка и означено с W⁺, за слабото взаимодействие изпълнява същите функции каквито фотоните изпълняват в електромагнитните, а глюоните - в силните взаимодействия. Това е частица със спин 1 (т.е. е бозон) и пренася слабото взаимодействие, заедно с още две частици: W^- и Z⁰. Горната реакция като математика е много проста: u-кваркът носи заряд +2/3, а d-антикваркът +1/3; двете частици, които са заключени в заредения пион взаимодействат с виртуалния калибровъчен бозон със заряд +1 (защото зарядът трябва да се запази), който живее много кратко и в крайно физическо състояние дава мюон и съответното му неутрино. Получава се като че ли финалното състояние няма "спомен" за началното... този спомен му е отнет от калибровъчния бозон. Такава трансформация не може да се случи при другите взаимодействия - там частиците на финала "помнят" какви са били: един кварк си остава същия тип кварк, след като обмени глюон с друг кварк; а зареденият лептон си остава същия тип лептон, след като обмени фотон.

Много подобна реакция на горната се случва, когато имаме бета-разпад на някое ядро: един неутрон от ядрото се разпада на протон, електрон и съответното му анти-неутрино. Ако пък отидем на кварково ниво, процесът е следният:

Един d-кварк (от началния неутрон) изпуща W^- бозон (със заряд -1) и се превръща в u-кварк от финалния протон (нека направим сметката: -1/3 = -1 +2/3). Този W- бозон е виртуален - т.е. не се наблюдава, защото съществува за изключително кратък период време, и в крайна сметка се "разпада" на електрон и електронно антинеутрино.

Някой тук може да попита - добре де, всичко изглежда много нагласено... Как така W⁺ от първия пример се разпада на положителен мюон и неутрино, а пък W^- от втория - на електрон и електронно антинеутрино? Какви са правилата?

Правилата са крайно прости и се определят от един куп закони за запазване. Освен добре известните закони за запазване на енергията, импулса, електричния заряд... има закони за запазване на други специфични характеристики на частиците: например, всички лептони се характеризират с лептонно число, което показва техния тип (стойността му зависи от поколението и това дали частицата е античастица). Законът за запазване на това лептонно число забранява при слабите взаимодействия да се роди зареден лептон от едно поколение и неутрино от друго поколение (например електрон и мюонно неутрино). Също заради този закон във втората реакция W^- бозонът не може да се разпадне на електрон и електронно неутрино (вместо на електронно антинеутрино), но тук наистина трябва да изпадна в големи детайли, ако продължа. (Може да дообясня в коментарите, ако има специфични въпроси.)

В първия случай обаче е разрешено, вместо пионът да се разпадне на мюон и мюонно неутрино (лептони от второ поколение), да се разпадне на позитрон и позитронно неутрино (лептони от първо поколение). И това се случва, просто по-рядко от първия процес. Кое определя дали даден слаб процес ще е рядък или ще доминира, е извън рамките на този пост, защото трябва да дойде тежката артилерия на електрослабата теория. Накратко казано - заради слабото взаимодействие фундаменталните частици от по-високите поколения имат свойството да се разпадат до частици от по-ниските поколения - калибровъчните бозони W⁺, W^- и Z⁰ са преносители на тази смяна.

Тук, за финал, трябва да отворя една много важна скоба... Трите калибровъчни бозона на слабото взаимодействие са били теоретично предсказани през 1968 година, а са били открити през 1983 година в ЦЕРН. Забележете, тези три частици са били нищо повече от солидна теоретична концепция в продължение на 15 години. Моментът на експерименталното им откриване, точно с предсказаните маси, е всъщност христоматиен пример за това как работи науката: правиш предсказание на даден модел; после правиш експеримент, за да провериш това предсказание; ако то се потвърди - моделът работи и продължаваш да го тестваш по други начини; ако не работи - намираш друг.

Онзи момент през 1983 е бил един от най-вълнуващите за Стандартния модел. Може би най-вълнуващият преди да дойде 4 юли 2012 година.

Следващия път: гравитация.