Interacción débil

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La interacción débil es una interacción fundamental responsable, en particular, de los procesos de desintegración beta de los núcleos atómicos y desintegraciones débiles de las partículas elementales , así como de las violaciones de las leyes de conservación de la paridad espacial y combinada en ellas. Esta interacción se llama débil porque las otras dos interacciones que son significativas para la física nuclear y la física de alta energía ( fuerte y electromagnética ) se caracterizan por una intensidad mucho mayor. Sin embargo, es mucho más fuerte que la cuarta de las interacciones fundamentales, la gravitacional .

La interacción débil es de corto alcance: se manifiesta a distancias aproximadamente 1000 veces menores que el tamaño de un protón , el radio característico de interacción es 2⋅10 −18 m [1] .

El Modelo Estándar de física de partículas elementales describe la interacción electromagnética y la interacción débil como manifestaciones diferentes de la interacción electrodébil unificada , cuya teoría fue desarrollada alrededor de 1968 por S. Glashow , A. Salam y S. Weinberg . Recibieron el Premio Nobel de Física de 1979 por este trabajo .

Los portadores de la interacción débil son los bosones vectoriales W + , W − y Z 0 . En este caso, se distingue la interacción de las denominadas corrientes débiles cargadas y corrientes débiles neutras . La interacción de corrientes cargadas (con la participación de bosones cargados W ± ) provoca un cambio en las cargas de las partículas y la transformación de algunos leptones y quarks en otros leptones y quarks. La interacción de corrientes neutras (con la participación del bosón neutro Z 0 ) no cambia las cargas de las partículas y transforma leptones y quarks en las mismas partículas.

Historia del estudio

En 1896, mientras trabajaba con sales de uranio , Henri Becquerel descubrió el fenómeno de la radiactividad [2] . En 1898-1899, Ernest Rutherford descubrió que los átomos radiactivos emiten partículas de dos tipos, a las que llamó partículas alfa y beta [3] . En 1899, el trabajo de Stefan Meyer, Egon Ritter von Schweidler , Friedries Gisil y A. Becquerel demostró que las partículas beta son desviadas por un campo magnético y tienen carga negativa. En 1900, A. Becquerel demostró que las partículas beta tienen la misma relación carga - masa que los electrones descubiertos poco antes [4] .

En 1914, James Chadwick descubrió que en la desintegración beta del bismuto - 210, los electrones emitidos pueden tener energías arbitrarias. Esto, a primera vista, contradecía la ley de conservación de la energía. También fue desconcertante el hecho de que aunque el átomo inicial y final obedecían a las mismas estadísticas cuánticas , el electrón no era, como se esperaba, una partícula de Bose , sino que tenía un espín ½ [5] . Para resolver estas contradicciones, Wolfgang Pauli planteó la hipótesis en 1930 de que se emite una partícula neutra junto con un electrón durante la desintegración beta. Posteriormente se demostró que esta partícula es un neutrino [6] .

Usando la hipótesis de Pauli, Enrico Fermi desarrolló en 1933 la primera teoría de la desintegración beta (la teoría de cuatro fermiones de la interacción débil ). Curiosamente, su trabajo fue rechazado para ser publicado en la revista Nature , alegando la excesiva abstracción del artículo. La teoría de Fermi se basa en el uso del segundo método de cuantización , similar al que ya se había aplicado en esa época para los procesos de emisión y absorción de fotones . Una de las ideas expresadas en el trabajo fue también la afirmación de que las partículas emitidas por el átomo no estaban inicialmente contenidas en él, sino que nacieron en el proceso de interacción [6] .

En 1936-1937, se descubrieron muones en los rayos cósmicos , que inicialmente se consideraron portadores de las fuerzas nucleares predichas por Hideki Yukawa . La suposición sobre las fuerzas nucleares, sin embargo, no fue confirmada: los muones no participan en interacciones fuertes ( los pi-mesones fueron descubiertos en 1947 , que eran las partículas predichas por Yukawa) [7] . Posteriormente, se demostró que los muones y los electrones son similares en muchos aspectos y, en particular, los muones también pueden ser capturados por un núcleo atómico en un proceso similar a la desintegración beta inversa [6] .

Durante mucho tiempo se creyó que las leyes de la naturaleza son simétricas con respecto a la reflexión del espejo , es decir, el resultado de cualquier experimento debería ser el mismo que el resultado de un experimento realizado en una configuración de espejo simétrico. Esta simetría bajo inversión espacial (que generalmente se denota como P ) está relacionada con la ley de conservación de la paridad . Sin embargo, en 1956, mientras consideraban teóricamente el proceso de descomposición del mesón K, Yang Zhenning y Li Zongdao sugirieron que la fuerza débil podría no obedecer esta ley. Ya en 1957, el grupo de Wu Jiansong confirmó esta predicción en un experimento de desintegración β, que les valió a Yang y Li el Premio Nobel de Física de 1957 . Posteriormente, el mismo hecho se confirmó en la desintegración del muón y otras partículas [1] .

Para explicar los nuevos hechos experimentales, en 1957 Muray Gell-Mann , Richard Feynman , Robert Marshak y George Sudarshan desarrollaron una teoría universal de la interacción débil de cuatro fermiones, llamada teoría V - A [1] .

En un esfuerzo por preservar la máxima simetría posible de las interacciones , L. D. Landau sugirió en 1957 que, aunque la simetría P se viola en las interacciones débiles, en ellas se debe preservar la simetría combinada CP , una combinación de reflexión especular y reemplazo de partículas por antipartículas. Sin embargo, en 1964, James Cronin y Val Fitch encontraron una violación débil de CP en los decaimientos de los kaones neutrales . Fue la interacción débil la que también resultó ser responsable de esta violación; además, la teoría en este caso predecía que además de las dos generaciones de quarks y leptones conocidas en ese momento, debería haber al menos una generación más. Esta predicción fue confirmada primero en 1975 con el descubrimiento del leptón tau , y luego en 1977 con el descubrimiento del quark b . Cronin y Fitch recibieron el Premio Nobel de Física de 1980 .

En la década de 1960, Sheldon Lee Glashow , Steven Weinberg y Abdus Salam , sobre la base de la teoría cuántica de campos bien desarrollada en ese momento , crearon la teoría de las interacciones electrodébiles , que combina las interacciones débiles y electromagnéticas. Introdujeron campos de calibre y cuantos de estos campos: bosones vectoriales W + , W − y Z 0 como portadores de la interacción débil. Además, se ha pronosticado la existencia de corrientes neutras débiles hasta ahora desconocidas . Estas corrientes fueron descubiertas experimentalmente en 1973 mientras se estudiaban los procesos de dispersión elástica de neutrinos y antineutrinos por parte de los nucleones .

Propiedades

Todos los fermiones fundamentales ( leptones y quarks ) participan en la interacción débil. Esta es la única interacción en la que participan los neutrinos [8] (sin contar la gravedad , cuya influencia sobre las partículas elementales individuales es insignificante). Esto explica el colosal poder de penetración de los neutrinos, ya que actúa a una distancia muy pequeña en comparación con el tamaño de las partículas (el radio de interacción característico es 2⋅10−18 m, que es unas 1000 veces menor que el tamaño de un protón). La interacción débil permite que los leptones, los quarks y sus antipartículas intercambien energía , masa , carga eléctrica y números cuánticos , es decir, se conviertan entre sí.

La fuerza débil recibe su nombre del hecho de que su intensidad característica es mucho menor que la del electromagnetismo . En física de partículas elementales, la intensidad de la interacción suele caracterizarse por la velocidad de los procesos causados por esta interacción. Cuanto más rápido avanzan los procesos, mayor es la intensidad de la interacción. A energías de partículas que interactúan del orden de 1 GeV , la velocidad característica de los procesos debido a la interacción débil es de aproximadamente 10 −10 s , que es aproximadamente 11 órdenes de magnitud más larga que para los procesos electromagnéticos, es decir, para la física de partículas elementales, débil los procesos son procesos extremadamente lentos [1 ] .

Otra característica de la intensidad de la interacción es el camino libre medio de las partículas en una sustancia. Entonces, para detener un hadrón volador debido a una fuerte interacción , se requiere una placa de hierro de varios centímetros de espesor. Y un neutrino, que participa solo en interacciones débiles, puede volar a través de una capa de hierro de varios años luz de espesor sin interacciones .

Entre otras cosas, la interacción débil tiene un radio de acción muy pequeño: alrededor de 2⋅10 -18 m (esto es aproximadamente 1000 veces más pequeño que el tamaño del núcleo). Es por ello que, a pesar de que la interacción débil es mucho más intensa que la gravitacional, cuyo alcance es ilimitado, juega un papel notablemente menor. Por ejemplo, incluso para núcleos ubicados a una distancia de 10 −10 m , la interacción débil es más débil no solo electromagnética, sino también gravitatoria [1] .

En este caso, la intensidad de los procesos débiles depende en gran medida de la energía de las partículas que interactúan. A mayor energía, mayor intensidad. Por ejemplo, debido a la interacción débil , el neutrón , cuya energía liberada durante la desintegración beta es de aproximadamente 0,8 MeV , decae en unos 10 3 s , y el Λ-hiperon , con una energía liberada unas cien veces mayor, ya en 10 −10 s . Lo mismo es cierto para los neutrinos energéticos: la sección eficaz para la interacción con un nucleón de un neutrino con una energía de 100 GeV es seis órdenes de magnitud mayor que la de un neutrino con una energía de alrededor de 1 MeV . Sin embargo, a energías del orden de varios cientos de GeV (en el sistema del centro de masa de partículas en colisión), la intensidad de la interacción débil se vuelve comparable a la energía de la interacción electromagnética, como resultado de lo cual pueden describirse de forma unificada como la interacción electrodébil [1] .

La interacción débil es la única de las interacciones fundamentales para las que no se cumple la ley de conservación de la paridad , lo que significa que las leyes a las que obedecen los procesos débiles cambian cuando se refleja el sistema. La violación de la ley de conservación de la paridad conduce al hecho de que solo las partículas de la izquierda ( cuyo espín está dirigido en sentido opuesto al momento ) están sujetas a una interacción débil, pero no las de la derecha ( cuyo espín está codirigido con el momento ), y viceversa. : las antipartículas de la derecha interactúan débilmente, pero las de la izquierda son inertes [1] .

Además de la paridad espacial, la interacción débil tampoco preserva la paridad de carga espacial combinada, es decir, esta es la única interacción conocida que viola el principio de invariancia CP [1] .

Descripción teórica

Teoría de Fermi

La primera teoría de la fuerza débil fue desarrollada por Enrico Fermi en la década de 1930. Su teoría se basa en una analogía formal entre el proceso de desintegración β y los procesos de emisión de fotones electromagnéticos . La teoría de Fermi se basa en la interacción de las llamadas corrientes de hadrones y leptones. En este caso, a diferencia del electromagnetismo, se supone que su interacción es de naturaleza de contacto y no implica la presencia de un portador similar a un fotón. En notación moderna, la interacción entre los cuatro fermiones principales (protón, neutrón, electrón y neutrino) se describe mediante un operador de la forma [1]

{\frac {G_{F}}{\sqrt {2}}}{\hat {\overline {p}}}{\hat {n}}\cdot {\hat {\overline {e}}}{\ sombrero {\nu ))

donde es la llamada constante de Fermi , numéricamente igual en orden de magnitud a 10 −62 J⋅m³ o ( es la masa del protón) en el sistema de unidades, donde ; — el operador de nacimiento de protones (o aniquilación de antiprotones ), — el operador de aniquilación de neutrones ( nacimiento de antineutrones ), — el operador de nacimiento de electrones ( aniquilación de positrones ), — el operador de aniquilación de neutrinos (nacimiento de antineutrones). $G_{F}$ $10^{-5}/m_{p}^{2}$ $m_{p}$ $\hbar=c=1$ $\sombrero{\overline{p}}$ $\sombrero{n}$ $\hat{\overline{e}}$ $\sombrero{\nu}$

El producto responsable de la conversión de un neutrón en un protón se llama corriente de nucleón, y el producto que convierte un electrón en un neutrino se llama corriente de leptón. Se postula que estas corrientes, de manera similar a las corrientes electromagnéticas, son 4 vectores y ( son matrices de Dirac ). Por lo tanto, su interacción se llama vector [1] . $\sombrero{\overline{p}}\sombrero{n}$ ${\sombrero {\overline {e))}{\sombrero {\nu )),$ $\hat{\overline{p}}\gamma_{\mu}\hat{n}$ $\hat{\overline{e}}\gamma_{\mu}\hat{\nu}$ $\gamma_{\mu},~\mu=0\dots3$

La diferencia esencial entre las corrientes débiles introducidas por Fermi y las electromagnéticas es que cambian la carga de las partículas: un protón con carga positiva se convierte en un neutrón neutro y un electrón con carga negativa se convierte en un neutrino neutro. En este sentido, estas corrientes se denominan corrientes cargadas [1] .

Teoría VA universal

La teoría universal de la interacción débil, también llamada teoría V-A , fue propuesta en 1957 por M. Gell-Mann , R. Feynman , R. Marshak y J. Sudarshan . Esta teoría tuvo en cuenta el hecho recientemente probado de la violación de la paridad ( P - simetría) en el caso de interacción débil. Para ello, las corrientes débiles se representaron como la suma de la corriente vectorial V y la corriente axial A (de ahí el nombre de la teoría) [1] .

Las corrientes vectoriales y axiales se comportan exactamente igual bajo las transformaciones de Lorentz . Sin embargo, durante la inversión espacial , su comportamiento es diferente: la corriente vectorial permanece sin cambios durante dicha transformación, mientras que la corriente axial cambia de signo, lo que conduce a la violación de la paridad. Además, las corrientes V y A difieren en la llamada paridad de carga (rompen la simetría C ) [1] .

Teniendo en cuenta tres generaciones de partículas elementales , la corriente de leptones que apareció en la teoría de Fermi se representa por la suma de la siguiente forma

{\sombrero {\sobrelínea {e))}{\sombrero {\nu _{e))}+{\sombrero {\sobrelínea {\mu ))}{\sombrero {\nu _{\mu ))}+ {\sombrero {\sobrelínea {\tau}}}{\sombrero {\nu _{\tau}}},

donde μ y τ significan respectivamente muón y tau-leptón , y , y — electrón, muón y neutrino tau [1] . $\nu_{e}$ $\nu _{\mu}$ $\nu_{\tau}$

De manera similar, la corriente hadrónica es la suma de todas las generaciones de corrientes de quarks ( u es arriba, d es abajo, c es encantada, s es extraña, t es verdadera, b es quark encantada):

{\hat {\overline {u))}{\hat {d^{\prime }}}+{\hat {\overline {c}}}{\hat {s^{\prime }}}+{\ sombrero {\overline {t}}}{\sombrero {b^{\prime }}}.

Sin embargo, a diferencia de la corriente de leptones, aquí los operadores y son una combinación lineal de operadores , es decir, la corriente de hadrones contiene un total no de tres, sino de nueve términos. Estos términos se pueden combinar en una sola matriz de 3 × 3 llamada matriz Cabibbo-Kobayashi-Maskawa . Esta matriz se puede parametrizar con tres ángulos y un factor de fase. Este último caracteriza el grado de violación de la invariancia de CP en la interacción débil [1] . ${\sombrero {d^{\principal})},$ $\hat{s^\principal}$ $\hat{b^\principal}$ ${\ sombrero {d}),$ $\sombreros}$ ${\ sombrero {b}),$

Todos los términos de la corriente cargada son la suma de los operadores vectorial y axial con multiplicadores iguales a uno [1] .

La teoría V − A se basa en el Lagrangiano de la forma

{\mathcal {L}}={\frac {G_{F}}{{\sqrt {2}}}}{\hat {j_{w}}}{\hat {j_{w}^{\daga} }},

donde es el operador de corriente cargada, y es su conjugado (obtenido por sustitución , etc.) [1] $\hat{j_w}$ $\hat{j_w^\daga}$ ${\sombrero {\sobrelínea {e))}{\sombrero {\nu _{e))}\rightarrow {\sombrero {\sobrelínea {\nu _{e)))){\sombrero {e)),$ $\hat{\overline{u}}\hat{d} \rightarrow \hat{\overline{d}}\hat{u}$

La teoría de Weinberg-Salam

En su forma moderna, la interacción débil se describe como parte de una única interacción electrodébil en el marco de la teoría de Weinberg-Salam . Es una teoría cuántica de campos con un grupo de calibre SU (2) × U (1) y una simetría de estado de vacío rota espontáneamente causada por la acción del campo del bosón de Higgs . La prueba de la renormalizabilidad de dicho modelo por Martinus Veltman y Gerard 't Hooft [9] fue galardonada con el Premio Nobel de Física de 1999 .

De esta forma, la teoría de la interacción débil se incluye en el Modelo Estándar moderno , y es la única interacción que rompe las simetrías P y CP .

De acuerdo con la teoría de la interacción electrodébil, la interacción débil no es un contacto, sino que tiene sus propios portadores - bosones vectoriales W + , W - y Z 0 con masa distinta de cero y espín igual a 1. La masa de estos bosones es unos 90 GeV /s², lo que provoca un pequeño radio de acción de las fuerzas débiles.

En este caso, los bosones cargados W ± son los responsables de la interacción de las corrientes cargadas, y la existencia de un bosón neutro Z 0 significa también la existencia de corrientes neutras . De hecho, tales corrientes se han descubierto experimentalmente. Un ejemplo de interacción con su participación es, en particular, la dispersión elástica de un neutrino por un protón. En tales interacciones, tanto el tipo de partículas como sus cargas se conservan [1] .

Para describir la interacción de las corrientes neutras, el Lagrangiano debe complementarse con un término de la forma

{\mathcal {L}}={\frac {G_{F}\rho }{2{\sqrt {2}}}}{\hat {f_{0}}}{\hat {f_{0}}} ,

donde ρ es un parámetro adimensional, igual a la unidad en la teoría estándar (experimentalmente, difiere de la unidad en no más del 1%), es un operador de corriente neutral autoadjunto [1] . $\hat{f_0} = \hat{\overline{\nu_e}}\hat{\nu_e} + \dots + \hat{\overline{e}}\hat{e} + \dots + \hat{\overline{ u}}\sombrero{u} + \puntos$

A diferencia de las corrientes cargadas, el operador de corriente neutra es diagonal, es decir, traduce las partículas en sí mismas y no en otros leptones o quarks. Cada uno de los términos del operador de corriente neutra es la suma de un operador vectorial con multiplicador y un operador axial con multiplicador , donde es la tercera proyección del llamado espín isotópico débil , Q es la carga de la partícula, es el Weinberg ángulo _ El ángulo determina la estructura de las corrientes neutras y la relación entre las constantes g y e de las interacciones débil y electromagnética, respectivamente [1] : $yo_3$ $I_3 - 2Q\sin^2\theta_w$ $yo_3$ $\theta_w$ $\theta_w$

e=g\sin \theta _{w}.

Papel en la naturaleza

Deterioro débil

La interacción débil también puede conducir a la descomposición de partículas masivas en otras más ligeras. Este tipo de desintegración se denomina desintegración débil. En particular, es precisamente debido a esta descomposición que las concentraciones de partículas tales como muones , π-mesones , partículas extrañas y encantadas , son insignificantes en la naturaleza. El hecho es que, a diferencia de otros tipos de interacciones fundamentales, la interacción débil no obedece a algunas prohibiciones, permitiendo que leptones cargados se transformen en neutrinos, y quarks de un sabor en quarks de otro sabor [1] .

Decaimiento beta

Un caso especial importante de desintegración débil es la desintegración beta de neutrones , en la que un neutrón puede transformarse espontáneamente en un protón , un electrón y un antineutrino electrónico . Sin embargo, como se sabe, la intensidad de las desintegraciones débiles disminuye con la disminución de la energía, por lo que la vida media característica de un neutrón es bastante grande: alrededor de 10 10 −10 s [1] .

La desintegración beta es el proceso más importante debido a la fuerza débil. La desintegración beta es uno de los tres tipos principales de radiactividad , consistente en la emisión de un electrón y un antineutrino por parte del núcleo con la transformación simultánea de uno de los neutrones en un protón. Descubierto a principios del siglo XX, este proceso recibió una explicación teórica recién en 1934. Enrico Fermi fue el primero en sugerir que el electrón y el antineutrino emitidos durante la desintegración beta del núcleo no están en él antes de eso, sino que nacen en el momento de la desintegración [1] .

Estrellas

A pesar del corto alcance y la relativa pequeñez, la interacción débil es importante para una serie de procesos naturales.

En particular, es la interacción débil la que determina la ocurrencia de una reacción termonuclear , que es la principal fuente de energía para la mayoría de las estrellas , incluido el Sol , una reacción de fusión de helio-4 de cuatro protones con la emisión de dos positrones y dos neutrinos . .

La primera etapa, la más lenta, de la fusión termonuclear depende en gran medida de la magnitud de la interacción débil [10] . $H^{1}+H^{1}\rightarrow H^{2}+e^{+}+\nu$

En la evolución de las estrellas también juegan un papel importante otros procesos acompañados de la emisión de neutrinos y debido a la presencia de una interacción débil. El enfriamiento de neutrinos es un factor importante en las pérdidas de energía en estrellas muy calientes, así como en las explosiones de supernovas [1] .

Notas

↑ 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 13 14 15 16 17 18 19 20 21 22 23 24 L. B. Okun . Enciclopedia física : [en 5 volúmenes] / Cap. edición A. M. Projorov . - M .: Gran Enciclopedia Rusa , 1994. - V. 4: Poynting - Robertson - Serpentinas. — S. 552–556. - 704 pág. - 40.000 copias. - ISBN 5-85270-087-8 .
↑ Biografía del átomo, 1984 , p. 21
↑ Biografía del átomo, 1984 , p. 28-31.
↑ M. Malley. La historia del descubrimiento de la radiación beta // UFN . - 1973. - T. 109 . - S. 389-398 . Archivado desde el original el 13 de septiembre de 2013.
↑ G. T. Zatsepin, A. Yu. Smirnov. Neutrino // Enciclopedia física : [en 5 volúmenes] / Cap. edición A. M. Projorov . - M . : Enciclopedia soviética (vol. 1-2); Gran Enciclopedia Rusa (vols. 3-5), 1988-1999. — ISBN 5-85270-034-7 .
↑ 1 2 3 B. M. Pontecorvo . Páginas del desarrollo de la física de neutrinos // UFN . - 1983. - T. 141 . - S. 675-709 . Archivado desde el original el 13 de septiembre de 2013.
↑ SS Gershtein. Muones // Enciclopedia física : [en 5 volúmenes] / Cap. edición A. M. Projorov . - M . : Enciclopedia soviética (vol. 1-2); Gran Enciclopedia Rusa (vols. 3-5), 1988-1999. — ISBN 5-85270-034-7 .
↑ Partículas e interacciones fundamentales . Consultado el 13 de julio de 2014. Archivado desde el original el 9 de mayo de 2017. (indefinido)
↑ G. 't Hooft, M. Veltman. Regularización y Renormalización de Campos de Calibración (Inglés) // Física Nuclear B. - 1972. - Vol. 44. - Pág. 189-219. - doi : 10.1016/0550-3213(72)90279-9 . — . Archivado desde el original el 7 de julio de 2012.
↑ Perkins D. Introducción a la física de alta energía. - M., Mir, 1975. - S. 152

Literatura

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Griffiths, David J. (1987) Introducción a las partículas elementales, Wiley, John & Sons, Inc. ISBN 0-471-60386-4
A. Lesov. La fuerza débil: de Fermi a Feynman. — Tesis, Universidad de Carolina del Sur, 2009.
Li Ts ., Wu Ts . Interacciones débiles. - M. , Mir, 1968. - 307 p.

Interacciones fundamentales
Fuerte interacción Interacción débil Interacción electromagnética interacción gravitacional