Slaba interakcija

U fizici elementarnih čestica, slaba interakcija (često zvana i slaba sila ili slaba nuklearna sila) jedna je od četiri osnovne interakcije u prirodi po modelima savremene subnuklearne fizike, pored jake, elektromagnetne i gravitacione.

Radioaktivni beta raspad se odvija usled slabe interakcije, koja transformiše neuron u: proton, elektron, i elektronski antineutrino.

Slaba interakcija može da se desi između leptona i kvarka (semileptonska interakcija), između samih leptona (leptonska interakcija) ili između samih kvarkova (neleptonska interakcija). Javlja se, po Standardnom modelu, usled razmene masivnih W i Z bozona koji predstavljaju prenosioce interakcije za slabu interakciju.

Slaba interakcija je odgovorna za beta raspad atomskih jezgara, i samim time i radioaktivnost koja se javlja pri raspadu, pri kome neutron prelazi u proton, i pri čemu se emituju elektron i antineutrino, ili pozitron i neutrino.

Naziv slaba dolazi iz činjenice da je tipična snaga interakcije 10¹¹ puta manja od jake interakcije, a 10⁸ puta slabija od elektromagnetne. Jača je samo od gravitacione interakcije. Ona je, takođe, i spora reakcija i traje na redu veličine 10^-11 s.

Pozadina

Standardni model fizike elementarnih čestica, koji ne obuhvata gravitaciju, pruža uniformni okvir za razumevanje načina na koji elektromagnetna, slaba, i jaka interakcija deluju. Do interakcije dolazi kad dve čestice, tipično mada ne neophodno spin fermioni polu-celog broja, razmenjuju polu-celobrojni spin, bozone koji prenose silu. Fermioni koji učestvuju u takvim razmenama mogu da budu bilo elementarni (npr. elektroni ili kvarkovi) ili kompozitni (npr. protoni ili neutroni), mada na najdubljim nivoima, sve slabe interakcije ultimatno su između elementarnih čestica. U slučaju slabe interakcije, fermioni mogu da razmene tri zasebna tipa prenosilaca sile, poznata kao W⁺, W⁻, i Z bozoni. Masa svakog od tih bozona je daleko veća od mase protona ili neutrona, što je konzistentno sa kratkim dometom slabe sile. Ova sila se zapravo naziva slaba zbog njene jačine polja preko datog rastojanja. Ona je tipično nekoliko redova veličine manja od jake nuklearne sile ili elektromagnetne sile.

Tokom kvarkne epohe ranog svemira, elektroslaba sila se razdvojila na elektromagnetnu i slabu silu. Važni primeri slabe interakcije obuhvataju beta raspad, i fuziju vodonika u deuterijum koja napaja energijom sunčev termonullearni proces. Većina fermiona se raspada putem slabe interakcije tokom vremena. Takvi raspadi omogućavaju radiougljenično datiranje, pošto se ugljenik-14 raspada putem slabe interakcije do azota-14. Ovaj proces takođe može da kreira radioluminiscenciju, koja je u širokoj upotrebi u tritijumskoj iluminaciji, i u srodnom polju betavoltnih uređaja.

Kvarkovi, od kojih se sastoje kompozitne čestice kao što su neutroni i protoni, imaju šest oblika: „gore“, „dole“, „čudan“, „šarm“, „vrh“ i „dno“, koji daju kompozitnim čestima njihova svojstva. Slaba interakcija je jedinstvena po tome da kvarkovima omogućava da promene svoj „ukus“. Zamena tih svojstava je posredovana bozonskim nosiocima sile. Na primer, tokom beta minus raspada, „dole“ kvark unutar neutrona se menja u „gore“ kvark, čime se neutron konvertuje u proton i dolazi do emisije elektrona i elektronskog antineutrina. Slaba interakcija je takođe jedina fundamentalna interakcija koja prekida paritetnu simetriju i sličnost, jedina koja menja paritetnu simetriju.

Istorija

Godine 1933, Enriko Fermi je predložio prvu teoriju slabe interakcije, poznatu kao Fermijeva interakcija. On je predložio da se beta raspad može objasniti putem interakcije četiri-fermiona, putem kontaktne sile bez opsega.

Međutim, slaba interakcija se može bolje objasniti pomoću polja bez-kontaktne sile sa konačnim opsegom, iako veoma kratkim. Godine 1968. Šeldon Glašov, Abdus Salam i Stiven Vajnberg su ujedinili elektromagnetnu silu i slabu interakciju tako što su pokazali da su one dva aspekta jedne sile, koja se u današnje vreme naziva elektro-slabom silom. Postojanje W i Z bozona nisu bili direktno potvrđeni do 1983.

Osobine

Dijagram prikazuje razne rute razlaganja usled slabe interakcije i neke indikacije njihove verovatnoće. Intenzitet linija je dat KKM parametrima.

Slaba interakcija je jedinstvena na više načina:

• To je jedina interakcija koja ima sposobnost promene arome kvarkova (tj., promene tipa kvarka u drugi tip).
• To je jedina interakcija koja narušava P ili parnosnu simetriju. Ona je isto tako jedina sila koja krši nabojno-paritetnu simetriju.
• Ona je posredovana (propagirana) putem čestica prenosilaca sile koji imaju znatne mase, jedno neobično svojstvo koje je objašnjeno u standardnom modelu pomoću Higsovog mehanizma.

Usled njihove velike mase (približno 90 GeV/c²) ove prenosne čestice, zvane W i Z bosoni, su kratkog veka sa trajanjem kraćim od 10⁻²⁴ sekundi. Slaba interakcija ima konstantu sprege (indikator jačine interakcije) između 10⁻⁷ i 10⁻⁶, u poređenju sa konstantom sprege jake interakcije od 1 i elektromagnetnom konstantom sprege od oko 10⁻²; konsekventno slaba interakcija je slaba u smislu jačine. Slaba interakcija ima veoma kratak opseg (oko 10⁻¹⁷ do 10⁻¹⁶ m). Na rastojanju od oko 10⁻¹⁸ metara, slaba interakcija ima jačinu slične magnitude sa elektromagnetnom silom, ali njena jačina počinje eksponencijalno da opada sa povećanjem rastojanja. Na rastojanju od oko 3×10⁻¹⁷ m, rastojanju koje je veće za samo jedan i po decimalni red veličine, slaba interakcija je 10.000 puta slabija od elektromagnetne.

Slaba interakcija utiče na sve fermione standardnog modela, kao i na Higsov bozon; neutrina formiraju interakcije jedino putem gravitacije i slabe interakcije, i neutrina su bila originalni razlog za izbor imena slaba sila. Slaba interakcija ne proizvodi vezana stanja (niti učestvuje u energiji vezivanja) – što je karakteristika koju gravitacija ima na astronomskoj skali, elektromagnetna sila na atomskom nivou, i jaka nuklearna sila unutar jezgra atoma.

Njen najuočljiviji efekat je posledica njenog prvog jedinstvenog svojstava: promene arome. Neutron, na primer, je teži od protona (svog sestrinskog nukleona), ali se on ne može raspasti u proton bez promene arome (tipa) jednog od njegova dva donja kvarka u gornji kvark. Ni jaka interakcija, niti elektromagnetizam ne dozvoljavaju promenu arome, tako da do toga dolazi putem slabog raspada; bez slabog raspada, svojstva kvarka kao što su stranost i šarm (vezani za kvarkove istog imena) bi isto tako bila konzervirana u svim interakcijama.

Svi mezoni su nestabilni zbog slabog raspada. U procesu poznatom kao beta raspad, donji kvark u neutronu se može promeniti u gornji kvark emitovanjem virtualnog W− bozona koji se zatim konvertuje u elektron i elektronski antineutrino. Još jedan primer je zahvatanje elektrona, što je česta varijanta radioaktivnog raspada, pri čemu proton i elektron unutar atoma formiraju interakciju, i prelaze u neutron (jedan gornji kvark se menja u donji kvark) i jedan elektronski neutrino se emituje.

Usled velikih masa W bozona, transformacije čestica ili raspadi (npr., promena arome) koji zavise od slabih interakcija tipično se javljaju znatno sporije od transformacija ili raspada koji su zavisni samo od jakih ili elektromagnetnih sila. Na primer, neutralni pion se raspada elektromagnetno, i stoga ima životni vek od samo 10⁻¹⁶ sekundi. U kontrastu s tim, naelektrisani pion se jedino može raspasti putem slabe interakcije, i stoga je njegov životni vek oko 10⁻⁸ sekundi, ili sto miliona puta je duži od neutralnog piona. Posebno ekstreman primer je raspad slobodnog neutrona dejstvom slabe sile, za koji je neophodno oko 15 minuta.

Slabi izospin i slabo hipernaelektrisanje

Glavni članak: Slabi izospin

Levoruki fermioni u standardnom modelu

Generacija 1			Generacija 2			Generacija 3
Fermion	Simbol	Slab izospin	Fermion	Simbol	Slab izospin	Fermion	Simbol	Slab izospin
Elektronski neutrino	$\nu _{e}\,$	$+1/2\,$	Mionski neutrino	$\nu _{\mu }\,$	$+1/2\,$	Tau neutrino	$\nu _{\tau }\,$	$+1/2\,$
Elektron	$e^{-}\,$	$-1/2\,$	Mion	$\mu ^{-}\,$	$-1/2\,$	Tau	$\tau ^{-}\,$	$-1/2\,$
Gornji kvark	$u\,$	$+1/2\,$	Čarobni kvark	$c\,$	$+1/2\,$	Vršni kvark	$t\,$	$+1/2\,$
Donji kvark	$d\,$	$-1/2\,$	Strani kvark	$s\,$	$-1/2\,$	Dubinski kvark	$b\,$	$-1/2\,$
Sve levoruke antičestice i desnoruke (regularne) čestice imaju slabi izospin od 0. Desnoruke antičestice imaju suprotni slabi izospin.

Sve čestice imaju svojstvo zvano slabi izospin (simbol T₃), koje služi kao kvantni broj i određuje kako se čestica ponaša pri slabim interakcijama. Slabi izospin igra istu ulogu u slabim interakcijama kao što i naelektrisanje u elektromagnetizmu, i promena boje pri jakim interakcijama. Svi levoruki fermioni imaju vrednost slabog izospina od bilo +¹⁄₂ ili −¹⁄₂. Na primer, gornji kvark ima T₃ od +¹⁄₂ i donji kvark −¹⁄₂. Kvark se nikad ne raspada putem slabe interakcije u kvark sa istim T₃: kvarkovi sa T₃ od +¹⁄₂ jedino se raspadaju u kvarkove sa T₃ od −¹⁄₂ i obrnuto.

π+ raspad putem slabe interakcije

U svakoj datoj interakciji, slabi izospin se očuvava: suma brojeva slabih izospinova čestica koje ulaze u interakciju je jednaka sumi brojeva slabih izospinova čestica koje izlaze iz interakcije. Na primer, (levoruki) π+, sa slabim izospinom od 1 normalno se raspada u ν (+¹⁄₂) i μ+ (kao desnoruka antičestica, +¹⁄₂).

Nakon razvoja elektroslabe teorije, još jedno svojstvo, slabo hipernaelektrisanje, je bilo razvijeno. Ono je zavisno od električnog naboja čestice i slabog izospina, i definisano je kao:

$\qquad Y_{W}=2(Q-T_{3})$

gde je Y_W slabo hipernaelektrisanje datog tipa čestice, Q je njen električni naboj (u jedinicama elementarnog naelektrisanja) i T₃ je njen slabi izospin. Dok neke čestice imaju slabi izospin jednak nuli, sve spin-¹⁄₂ čestice imaju slabo hipernaelektirsanje različito od nule.

Slabo hipernaelektrisanje je generator U(1) komponente elektroslabe baždarene grupe.

Tipovi interakcija

Postoje dva tipa slabih interakcija (zvanih temenima). Prvi tip se naziva „interakcijom naelektrisane struje” pošto je on posredovan česticama koje nose naelektrisanje (W+ ili W− bozonima), i odgovoran je za fenomen beta raspada. Drugi tip se naziva „interakcijom neutralne struje” pošto je ona posredovana neutralnom česticom, Z bozonom.

Interakcija naelektrisane struje

Fejnmanov dijagram za beta-minus raspad neutrona u proton, elektron i elektron anti-neutrino, preko jednog intermedijarnog teškog W− bozona

U jednom tipu interakcija naelektrisane struje, naelektrisani lepton (kao što je elektron ili mion, sa naelektrisanjem od −1) može da apsorbuje W+ bozon (česticu sa naelektrisanjem od +1) i time se pretvara u odgovarajući neutrino (sa nabojem 0), gde je tip („aroma”) neutrina (elektron, mion ili tau) isti kao tip leptona u interakciji, na primer:

$\mu ^{-}+W^{+}\to \nu _{\mu }$

Slično tome, donji tip kvarka (d sa nabojem od −¹⁄₃) može da bude konvertovan u gornji tip kvarka (u, sa nabojem od +²⁄₃), putem emitovanja W− bozona ili apsorbovanja W+ bozona. Preciznije, donji tip kvarka postaje kvantna superpozicija gornjeg tipa kvarka: drugim rečima, on ima mogućnost da postane bilo koji od tri kvadratna tipa, pri čemu su verovatnoće date u KKM matričnim tabelama. Konsekventno, jedan kvark gornjeg tipa može da emituje W+ bozon, ili da apsorbuje W− bozon, i stoga da bude konvertovan u kvark donjeg tipa, na primer:

${\begin{aligned}d&\to u+W^{-}\\d+W^{+}&\to u\\c&\to s+W^{+}\\c+W^{-}&\to s\end{aligned}}$

W bozon je nestabilan, te se brzo raspada, i ima veoma kratak životni vek. Na primer:

${\begin{aligned}W^{-}&\to e^{-}+{\bar {\nu }}_{e}~\\W^{+}&\to e^{+}+\nu _{e}~\end{aligned}}$

Raspad W bozona u druge prudukte se može dogoditi, sa varijabilnim verovatnoćama.

U takozvanom beta raspadu neutrona (pogledajte gornju sliku), donji kvark unutar neutrona emituje virtualni W− bozon i stoga se konvertuje u gornji kvark, konvertujući neutron u proton. Zbog energije koja učestvuje u procesu (tj., razlike mase između donjeg kvarka i gornjeg kvarka), W− bozon jedino može da bude konvertovan u elektron i elektron-antineutrino. Na nivou kvarka, proces može da bude predstavljen kao:

$d\to u+e^{-}+{\bar {\nu }}_{e}~$

Interakcija neutralne struje

U interakcijama neutralne struje, kvark ili lepton (e.g., elektron ili mion) emituju ili apsorbuju neutralni Z bozon. Na primer:

$e^{-}\to e^{-}+Z^{0}$

Poput W bozona, Z bozon se isto tako brzo raspada, na primer:

$Z^{0}\to b+{\bar {b}}$

Elektroslaba teorija

Glavni članak: Elektroslaba interakcija

Standardni model elementarnih čestica opisuje elektromagnetne interakcije i slabe interakcije kao dva različita aspekta jedne elektroslabe interakcije. Ovu teoriju su razvili u periodu oko 1968. godine Šeldon Glašou, Abdus Salam i Stiven Vajnberg, za šta su nagrađeni Nobelovom nagradom za fiziku 1979 za njihov doprinos. Higsov mehanizam pruža objašnjenje za prisustvo tri masivna baždarena bozona (W+, W−, Z0, tri prenosnika slabe interakcije) i fotona koji nema masu (γ, prenosnika elektromagnetne interakcije).

Prema elektroslaboj teoriji, pri veoma visokim energijama, svemir ima četiri polja baždarenih bozona bez mase – svako od koji je slično sa fotonom – i kompleksni skalarni dublet Higsovog polja. Međutim, pri niskim energijama, ova simetrija se spontano razlaže do U(1) simetrije elektromagnetizma, pošto jedno od Higsovih polja stiče vakuumsku očekivanu vrednost. Ovo narušavanje simetrije bi moglo da proizvede tri bozona bez mase, ali oni postaju integrisani putem tri polja slična fotonima i stiču masu putem Higsovog mehanizma. Ova tri polja postaju W+, W− i Z0 bozoni slabe interakcije. Četvrto baždareno polje je foton elektromagnetizma, i ono ostaje bezmaseno.

Ova teorija je proizvela brojna predviđanja, uključujući i predviđanje mase Z i W-bozona pre njihovog otkrića. Dana 4. jula 2012, CMS i ATLAS eksperimentalni timovi pri Velikom hadronskom sudaraču nezavisno su objavili da su potvrdili formalno otkriće prethodno nepoznatih bozona s masom između 125–127 GeV/c², čije ponašanje je do sada bilo „konzistentno sa” Higsovim bozonom, dodajući opreznu napomenu da su potrebni dodatni podaci i analize pre nego što se pozitivno identifikuje da je novi bozon Higsov bozon istog tipa. Do 14. marta 2013, proviziono je potvrđeno da Higsov bozon postoji.

Vidi još

• Gravitacija
• Nuklearna sila
• Elektromagnetizam

Literatura

• Greiner, Walter; Müller, Berndt (2009). Gauge Theory of Weak Interactions. Springer. str. 2. ISBN 978-3-540-87842-1. 

• Watkins, Peter. year=1986 Story of the W and Z. Cambridge: Cambridge University Press. str. 70. ISBN 978-0-521-31875-4. CS1 održavanje: Nedostaje uspravna crta (veza)
• Griffiths, David (2009). Introduction to Elementary Particles. str. 59—60. ISBN 978-3-527-40601-2. 
• R. Oerter (2006). The Theory of Almost Everything: The Standard Model, the Unsung Triumph of Modern Physics. Plume. ISBN 978-0-13-236678-6. 
• B.A. Schumm (2004). Deep Down Things: The Breathtaking Beauty of Particle Physics. Johns Hopkins University Press. ISBN 978-0-8018-7971-5. 
• Greiner, Walter; B. Müller (2000). Gauge Theory of Weak Interactions. Springer. ISBN 978-3-540-67672-0. 
• G.D. Coughlan; J.E. Dodd; B.M. Gripaios (2006). The Ideas of Particle Physics: An Introduction for Scientists (3rd izd.). Cambridge University Press. ISBN 978-0-521-67775-2. 
• W. N. Cottingham; D. A. Greenwood (2001) [1986]. An introduction to nuclear physics (2nd izd.). Cambridge University Press. str. 30. ISBN 978-0-521-65733-4. 
• D.J. Griffiths (1987). Introduction to Elementary Particles. John Wiley & Sons. ISBN 978-0-471-60386-3. 
• G.L. Kane (1987). Modern Elementary Particle Physics. Perseus Books. ISBN 978-0-201-11749-3. 
• D.H. Perkins (2000). Introduction to High Energy Physics. Cambridge University Press. ISBN 978-0-521-62196-0. 

Spoljašnje veze

• Harry Cheung, The Weak Force @Fermilab
• Fundamental Forces @Hyperphysics, Georgia State University.
• Brian Koberlein, What is the weak force? Архивирано на сајту Wayback Machine (2. децембар 2016)