Słaba interakcja

Słabe oddziaływanie (zwany również słabe siły czasem słabe siły jądrowe ) jest jednym z czterech zasadniczych oddziaływań natury, inne trzy są elektromagnetyczne , silne i grawitacyjne oddziaływania . Jest on odpowiedzialny za rozpad radioaktywny z cząstek elementarnych i jest pochodzenia syntezy jądrowej w gwiazdach. Wpływa na wszystkie znane kategorie fermionów , począwszy od elektronów , kwarków i neutrin .

W modelu standardowym fizyki cząstek elementarnych słabe oddziaływanie jest spowodowane wymianą bozonów W + , W - i Z 0 . Najbardziej znanym efektem jest radioaktywność β . Większość cząstek ulega rozkładowi spowodowanemu przez słabe oddziaływanie. Bozony W i Z mają bardzo dużą masę , dlatego mają bardzo krótki zasięg. Ponadto jego intensywność (stała sprzężenia) jest na ogół o kilka rzędów wielkości niższa niż intensywność oddziaływań elektromagnetycznych i silnych, co wyjaśnia jego nazwę. Słabe oddziaływanie ma kilka unikalnych właściwości, w tym zdolność do zmiany smaku kwarków i złamania symetrii parzystości i symetrii CP .

Słaba interakcja została po raz pierwszy opisana w latach trzydziestych XX wieku przez Enrico Fermi , który uczynił ją kontaktową interakcją czterech fermionów. Zwana interakcja Fermi Fermi stosować je wyjaśnić próchnicy p o neutronu . Został również użyty w 1947 roku, kiedy odkryto rozpad mionu . Następnie preferowano opis w postaci pola o bardzo krótkim zasięgu. W 1968 r. Oddziaływanie elektromagnetyczne i słabe zostało ujednolicone i przedstawione jako dwa aspekty oddziaływania elektrosłabego .

Β radioaktywność jest źródłem nukleosyntezy w gwiazdach. To właśnie umożliwia datowanie za pomocą węgla-14 , poprzez przekształcenie węgla-14 w azot-14 . Jest również źródłem radioluminescencji , wykorzystywanej w oświetlaniu trytem oraz w generatorach beta-woltaicznych .

Nieruchomości

Słaba interakcja jest wyjątkowa pod kilkoma względami:

Jest to jedyna podstawowa interakcja, która może zmienić smak kwarków ;
Jako jedyny narusza symetrię P (parzystość);
Jest także jedynym, który narusza symetrię CP ;
Jest przenoszony przez bozony o dużej masie, a tę niezwykłą cechę w modelu standardowym wyjaśnia mechanizm Higgsa ;
Jako jedyny nie wytwarza żadnego znanego stanu związanego między ciałkami, który byłby porównywalny z orbitami planet wokół gwiazd pod względem grawitacji , z orbitami elektronów wokół jąder w przypadku oddziaływania elektromagnetycznego oraz z wiązaniami kwarkowymi w nukleonach. Dla oddziaływań silnych .

Słabe oddziaływanie umożliwia wszystkim leptonom i kwarkom wymianę energii , masy i ładunku elektrycznego , co pozwala im zmieniać rodziny i smaki.

Oddziaływanie słabe ma bardzo krótki zasięg, a jego wpływ ogranicza się do jądra atomowego . Można to wytłumaczyć masą bozonów W i Z , która wynosi około 90 GeV . c -2 , co daje im żywotność mniejszą niż 10-24 si daje słabym oddziaływaniom teoretyczny zasięg około 10-17 m, czyli sto razy mniej niż oddziaływanie silne (inne podstawowe oddziaływania elektromagnetyczne i grawitacyjne mają nieskończony zasięg).

Ta fundamentalna siła jest najsłabszym z oddziaływań niegrawitacyjnych. Przy energiach zwykle branych pod uwagę w fizyce jądrowej jest modelowany przez uproszczone skuteczne oddziaływanie (siła Fermiego), którego stała sprzężenia jest około 10 000 razy mniejsza niż w przypadku oddziaływania elektromagnetycznego i 1 000 000 razy mniejsza niż w przypadku silnego oddziaływania jądrowego. Tłumaczy to między innymi fakt, że jego pole działania jest bardzo ograniczone. Jednak jego intensywność gwałtownie rośnie wraz z energią obecnych cząstek, co powoduje, że dogania oddziaływanie elektromagnetyczne wokół kilkudziesięciu GeV. Na tym poziomie miesza się z nim, dając oddziaływanie elektrosłabe . Tylko siła grawitacji jest jeszcze słabsza, ale rośnie z energią jeszcze szybciej niż oddziaływanie słabe, co pozostawia otwartą możliwość zjednoczenia wszystkich oddziaływań elementarnych.

Mechanizmy

Opłata

Fermiony od standardowego modelu

generacja 1			generacja 2			generacja 3
fermion	symbol	słaba izospina	fermion	symbol	słaba izospina	fermion	symbol	słaba izospina
elektron	$e ^ {-} \,$	$-1/2 \,$	mion	$\ mu ^ {-} \,$	$-1/2 \,$	tau	$\ tau ^ {-} \,$	$-1/2 \,$
neutrino-elektron	$\ nu _ {e} \,$	$+1/2 \,$	neutrino mionowe	$\ nu _ {\ mu} \,$	$+1/2 \,$	neutrino tau	$\ nu _ {\ tau} \,$	$+1/2 \,$
skwarkować	$u \,$	$+1/2 \,$	urok kwarka	$vs\,$	$+1/2 \,$	kwark górny	$t \,$	$+1/2 \,$
quark down	$d \,$	$-1/2 \,$	dziwny kwark	$s \,$	$-1/2 \,$	dno kwarku	$b \,$	$-1/2 \,$

Ładunek związany ze słabym oddziaływaniem to słaba izospina (T 3 lub T z ). Jest to ekwiwalent masy dla grawitacji, ładunku elektrycznego dla interakcji elektromagnetycznej i ładunku kolorowego dla silnego oddziaływania. Zarządza sposobem interakcji dwóch cząstek. Fermiony elementarne mają słabą izospinę ± 1/2. Na przykład kwarki typu up (u, c i t) mają T 3 = +1/2. Przekształcają się w kwarki typu dolnego (d, s lub b), które mają T 3 = −1/2 i odwrotnie. W Bozony mają słabą izospinowych 0 lub ± 1. W szczególności W + a T 3 = 1 i W - a T 3 = -1, co pozwala na interakcje własne słabego pola interakcji zwanego sprzężeniami trójliniowymi i kwadratowymi.

Słaba izospina jest konserwowana podczas rozpadów: suma słabych izospin jest identyczna przed i po reakcji. Na przykład π + pion , który ma słabą izospinę +1, rozpada się na μ + mion słabej izospiny +1/2 i neutrino mionowe ν μ słabej izospiny +1/2.

Od czasu wprowadzenia teorii elektrosłabej zaproponowano nowy ładunek zwany słabym hiperładowaniem . Jest to mieszanina ładunku elektrycznego i słabą izospinowych: . Słabe hiperładowanie jest generatorem składnika U (1) grupy elektrosłabej siły SU (2) xU (1). $\ qquad Y_ {W} = 2 (Q-T_ {3})$

Prąd naładowany

Najpierw podkreślono interakcję Fermiego. Na początku XXI p wieku, jest to uważane za skuteczne oddziaływanie na niskich energiach pokazano wymianę W ± , które są naładowane elektrycznie, pary na prąd sam elektrycznie naładowaną: najpowszechniej stosowany tego prądu składającego się z części, która niszczy neutrino-elektron i tworzy elektron, lub odwrotnie, lub również tworzy / anihiluje parę neutrino-pozyton, lub te same procesy z antycząstkami. Odgrywa tę samą rolę z parą neutron-proton. To właśnie ta interakcja jest podstawą rozpadu β neutronu, który można schematycznie określić za pomocą reakcji:

{\ mathrm {n}} ~ \ to ~ {\ mathrm {p}} \, + \, {\ mathrm {W}} ^ {-} ~ \ to ~ {\ mathrm {p}} \, + \, {\ mathrm {e}} ^ {-} \, + \, {\ mathrm {{{\ bar \ nu} _ {e}}}

Ponieważ W ma dużą masę, czas reakcji, w którym W jest wirtualne, jest bardzo krótki, a interakcja praktycznie zachodzi w miejscu, sprowadzając się do interakcji punktu Fermiego:

{\ mathrm {n}} ~ \ to ~ {\ mathrm {p}} \, + \, {\ mathrm {e}} ^ {-} \, + \, {\ mathrm {{\ bar \ nu} _ {mi}}}

Ponieważ cząstki obecne przed reakcją i cząstki obecne po reakcji są różne, bardzo łatwo było zademonstrować rozpady β, a więc pośrednio prądy naładowane elektrycznie.

Prąd neutralny

Z 0 wywołuje ten sam rodzaj reakcji jak W, ale stoi w obliczu silnej konkurencji ze strony oddziaływań elektromagnetycznych i silnych. Dlatego udało nam się jedynie zademonstrować elektrycznie obojętny prąd, który sprzęga się z Z, poprzez podkreślenie reakcji, w których neutrino obecne na początku znajduje się na końcu. Wymagało to oczywiście przeprowadzenia eksperymentu z wystarczająco intensywną wiązką neutrin i wystarczającą energią, aby mieć prawdopodobieństwo zaobserwowania zdarzeń. To tour de force nie zostało osiągnięte, po sformułowaniu teorii, aż do 1973 roku (patrz odkrycie prądów neutralnych ).

Historia odkryć

Β radioaktywność

Radioaktywność jest znana od 1896 r., Rozróżnienie między radioaktywnością α i β dokonane od 1899 r., Transmutacja między atomami ustalona od 1901 r. Oraz oznaki utraty energii w tym procesie nagromadzone w latach 1911–1927. W 1930 r. Wolfgang Pauli zasugerował, że została wyemitowana cząstka neutralna światła, ale jeszcze jej nie zaobserwowano, aw 1934 roku Fermi zaproponował teorię radioaktywności β, w której emitowane są neutrina. Teoria ta przewiduje interakcje z 4 fermionami (neutron, proton, elektron i neutrino), które stanowią pierwszą wersję oddziaływania słabego.

Naruszenie symetrii

Od dawna uważano, że prawa natury są identyczne między dwiema sytuacjami, które są wzajemnym odbiciem w lustrze. To prawo parzystości było przestrzegane przez klasyczną grawitację, elektromagnetyzm i silne oddziaływanie i uznano, że jest uniwersalne. Ale w latach pięćdziesiątych Chen Ning Yang i Tsung-Dao Lee zasugerowali, że słaba interakcja narusza tę symetrię. Chien Shiung Wu i współpracownicy wykazali naruszenie symetrii parzystości w 1957 roku, a Yang i Lee w tym samym roku otrzymali Nagrodę Nobla w dziedzinie fizyki .

Odkrycie naruszenia symetrii i pojawienie się teorii renormalizacji zasugerowało Robertowi Marshakowi i George'owi Sudarshanowi w 1957 roku, a następnie Richardowi Feynmanowi i Murrayowi Gell-Mannowi, aby zmodyfikować teorię Fermiego poprzez wprowadzenie cechy cząstek zwanej chiralnością . W tej teorii oddziaływanie słabe działa tylko na cząstki o chiralności lewej, te o chiralności prawej nie są na nią wrażliwe. W sytuacji lustra chiralność zmienia się i dlatego interakcja nie działa na te same cząstki. W tamtym czasie bozon Z nie był znany, a teoria nie obejmowała odpowiednich pól chiralności występujących w prądach obojętnych.

Nowa teoria wprowadziła nową symetrię zwaną CP , która łączy w sobie parzystość (permutacja po lewej po prawej) i koniugację (permutacja między cząstkami i antycząstkami). Ale w 1964 roku James Christenson, James Cronin , Val Fitch i René Turlay wykazali eksperymentalnie, że ta symetria została również naruszona podczas rozpadu kaonów ; Cronin i Fitch otrzymali za ten wynik w 1980 roku Nagrodę Nobla w dziedzinie fizyki. W 1973 roku Makoto Kobayashi i Toshihide Maskawa wykazali, że naruszenie symetrii CP wymaga trzeciej generacji cząstek w modelach teoretycznych.

Zjednoczenie

W 1979 roku Abdus Salam , Sheldon Glashow i Steven Weinberg otrzymali Nagrodę Nobla w dziedzinie fizyki za wkład w teoretyczne ujednolicenie oddziaływań słabych i elektromagnetycznych , tworząc w ten sposób Standardowy Model oddziaływań elektrosłabych . Jego istnienie zostało udowodnione eksperymentalnie w dwóch etapach. Przede wszystkim współpraca Gargamelle w 1973 roku umożliwiła odkrycie prądów neutralnych. Następnie, w 1983 r., Współpraca UA1 i UA2 wykazała istnienie bozonów W i Z; w 1984 roku Carlo Rubbia i Simon van der Meer otrzymali Nagrodę Nobla w dziedzinie fizyki za wkład w te eksperymenty.

Uwagi i odniesienia

(en) C. Amsler i in. ( Grupa danych cząstek ), „ Review of Particle Physics - Higgs Bosons: Theory and Searches ” , Physics Letters B , vol. 667, 2008, s. 1 ( DOI 10.1016 / j.physletb.2008.07.018 , Bibcode 2008PhLB..667 .... 1P , czytaj online )
(en) K. Nakamura i in . ( Grupa danych cząstek ), „ Gauge and Higgs bozons ” , Journal of Physics G , vol. 37, 2010( czytaj online )
H. Schopper, Cząstki elementarne , Springer, pot. „Landolt-Börnstein: Dane liczbowe i związki funkcjonalne w nauce i technologii - nowe serie / cząstki elementarne, jądra i atomy”,2008, 597, str. ( ISBN 978-3-540-74202-9 ) , str. 2-4
(en) J. Baez, J. Huerta, „ Algebra of grand unified theories ” , Biuletyn (nowa seria) Amerykańskiego Towarzystwa Matematycznego , tom. 47 N O 2 2010, s. 483-552 ( czytaj online )
(w) Mr. Bilenky, Kneur JL, Fox FM, D. Schildknecht, " Trilinear couplings Among the electroseak vector bozons and their determination at LEP2 " , Nuclear Physics B , vol. 409 n o 1, 1993, s. 22-68 ( DOI 10.1016 / 0550-3213 (93) 90445-U )
(de) (en) E. Fermi., „ Versuch einer Theorie der β-Strahlen. » , ZEITSCHRIFT FÜR PHYSIK A HADRONS AND NUCLEI , t. 88,1934, s. 161-177 ( DOI 10.1007 / BF01351864 , Bibcode 1934ZPhy ... 88..161F , czytaj online )
(De) W. Pauli, Offener Brief an die Gruppe der Radioaktiven bei der Gau-Vereinigung zu Tübingen, 4 grudnia 1930 r., „ [Oryginalny dokument] ”
(w) LM Brown, „ Idea neutrino ” , Physics Today , Vol. 31 N O 9, 1978, s. 23 ( DOI 10.1063 / 1.2995181 )
(en) TD Lee, CN Yang, „ Pytanie o zachowanie parzystości w słabych interakcjach ” , Physical Review , vol. 104 n o 1, 1956, s. 254-258 ( DOI 10.1103 / PhysRev.104.254 )
(w) CS Wu, E. Ambler, RW Hayward, DD Hoppes, RP Hudson, „ Experimental Test of Parity Conservation in Beta Decay ” , Physical Review , vol. 105, 1957, s. 1413-1415 ( DOI 10.1103 / PhysRev.105.1413 )
„Naruszenie parzystości w słabych interakcjach - rozbite lustro, które uszczęśliwia fizyków”, CEA, David Lhuillier, 8 grudnia 2006 pobierz plik PDF
(w) ECG Sudarshan, RE Marshak, " The Nature of the Four Fermion Interaction " , Proceedings of the Padua-Venice Conference on Mesons and ostatnio odkryte cząstki , 1957
(w) RP Feynman, Mr. Gell-Mann, " Teoria interakcji Fermiego " , Przegląd fizyczny , t. 109, 1958, s. 193-198 ( DOI 10.1103 / PhysRev.109.193 )
(w) JH Christenson i in. , „ Dowody na rozpad 2π mezonu K20 ” , Physical Review Letters , vol. 13 N O 4, 1964, s. 138–140 ( DOI 10.1103 / PhysRevLett.13.138 )
(w) Pan Kobayashi, T. Maskawa, " Naruszenie CP w reormalizowalnej teorii słabych interakcji " , Progress of Theoretical Physics , tom. 49 N O 2 1973, s. 652–657 ( DOI 10.1143 / PTP.49.652 , Bibcode 1973PThPh..49..652K )
(w) S. Weinberg, „ Model Leptons ” , Phys. Obrót silnika. Łotysz. , vol. 19, 1967, s. 1264-1266 ( DOI 10.1103 / PhysRevLett.19.1264 )
(w) A. Salam, „ Weak and electromagnetic interactions ” , Proc. Natl. VIII Sympozjum Nobla nt. teorii cząstek elementarnych, grup relatywistycznych i analityczności, Sztokholm, Szwecja, 1968 , 1969, s. 367-377
(en) SL Glashow, „ Częściowe symetrie słabych oddziaływań ” , Nucl. Fiz. , vol. 22, 1961, s. 579-588 ( DOI 10.1016 / 0029-5582 (61) 90469-2 )
(en) FR Hasert i in. , „ Obserwacja oddziaływań podobnych do neutrin bez mionu lub elektronu w eksperymencie z neutrinem gargamelowym ” , Phys. Łotysz. B. , tom. 46, 1973, s. 138-140 ( DOI 10.1016 / 0370-2693 (73) 90499-1 )
(w) G. Arnison i in. , " Eksperymentalna obserwacja izolowanych poprzecznych elektronów o szerokiej energii związanych z brakującą energią przy 540 GeV " , Phys. Łotysz. B. , tom. 122, 1983, s. 103-116 ( DOI 10.1016 / 0370-2693 (83) 91177-2 )
(w) G. Arnison i in. , „ Experimental Observation of the Invariant mass of około 95 GeV / c2 at the CERN SPS collider ” , Phys. Łotysz. B. , tom. 126, 1983, s. 398-410 ( DOI 10.1016 / 0370-2693 (83) 90188-0 )
(w) P. Bagnaia i in. , " Dowody na Z 0 → e + e- at the CERN proton-antiproton collider " , Phys. Łotysz. B. , tom. 129, 1983, s. 130-140 ( DOI 10.1016 / 0370-2693 (83) 90744-X )

Załączniki

Bibliografia

Książki popularyzatorskie
- Luc Valentin, Świat subatomowy: od kwarków do elektrowni jądrowych , Hermann ,1997, 309 str. ( ISBN 978-2-7056-6043-7 )
- Michel Le Bellac, Świat kwantowy , Les Ulis, nauki EDP,2010, 227 s. ( ISBN 978-2-7598-0443-6 )
Francuskojęzyczne książki techniczne
- Claude Cohen-Tannoudji, Bernard Diu, Franck Laloë, mechanika kwantowa , Hermann ,1997, 890 pkt. ( ISBN 978-2-7056-6074-1 )
- André Rougé, Wprowadzenie do fizyki subatomowej , École Polytechnique,2005, 442 s. ( ISBN 978-2-7302-1231-1 , czytaj online )

Powiązane artykuły