Слабые взаимодействия

один из четырёх типов известных фундаментальных взаимодействий между элементарными частицами (три других типа — электромагнитное, гравитационное и сильное). С. В. Гораздо слабее не только сильного, но и электромагнитного взаимодействий, но гораздо сильнее гравитационного. О силе взаимодействия можно судить по скорости процессов, которые оно вызывает. Обычно сравнивают между собой скорости процессов при энергиях порядка 108—109 эв, которые являются характерными для физики элементарных частиц, т. К. Именно такого порядка массы (выраженные в энергетических единицах) большинства элементарных частиц (например, масса π-мезона 1,4․108 эв, масса протона 9,4․108 эв). При таких энергиях процесс, обусловленный сильным взаимодействием, происходит за время Слабые взаимодействия 10-24 сек.

За это время сильно взаимодействующая частица (адрон (См. Адроны)), движущаяся со скоростью порядка скорости света (3․1010см/сек), пролетает расстояние порядка своих размеров (Слабые взаимодействия 10-13 см). Электромагнитный процесс в этих же условиях длится примерно 10-21 сек. Характерное же время процессов, происходящих за счёт С. В. («слабых процессов»), гораздо больше. Слабые взаимодействия 10-10 сек. Так что в мире элементарных частиц слабые процессы протекают чрезвычайно медленно. Другая характеристика взаимодействия — длина свободного пробега частицы в веществе. Сильно взаимодействующие частицы обычно задерживаются железной плитой толщиной в несколько десятков см. Нейтрино же, обладающее лишь С. В., проходило бы, не испытав ни одного столкновения, через железную плиту толщиной порядка миллиарда км.

Ещё более слабым является гравитационное взаимодействие, сила которого при энергии 109 эв в 1033 раз (на 33 порядка) меньше, чем у С. В. Однако в повседневной жизни роль гравитационного взаимодействия гораздо заметней роли С. В. Это связано с тем, что гравитационное взаимодействие, так же как электромагнитное, имеет бесконечно большой радиус действия. Поэтому, например, на тела, находящиеся на поверхности Земли, действует гравитационное притяжение со стороны всех атомов, из которых состоит Земля. Слабое же взаимодействие обладает настолько малым радиусом действия, что величина этого радиуса до сих пор не измерена. Она наверняка меньше 10-14 см, а возможно, и 10-15см, что на два порядка меньше радиуса сильного взаимодействия.

Вследствие этого, например, С. В. Между ядрами двух соседних атомов, находящихся на расстоянии 10-8см, совершенно ничтожно. Однако, несмотря на малую величину и короткодействие, С. В. Играет очень важную роль в природе. Так, если бы удалось «выключить» С. В., то погасло бы Солнце, т. К. Был бы невозможен процесс превращения протона (р) в нейтрон (n), позитрон (е+) и нейтрино (ν). Именно в результате этого процесса происходит «выгорание» водорода на Солнце и четыре протона превращаются в ядро гелия, состоящее из двух протонов и двух нейтронов. Этот процесс служит источником энергии как Солнца, так и большинства звёзд. Процессы С. В. С испусканием нейтрино, по-видимому, вообще играют исключительно важную роль в эволюции звёзд, обусловливая потери энергии очень горячими звёздами, механизмы, взрывов сверхновых звёзд (См.

Сверхновые звёзды) с образованием пульсаров (См. Пульсары) и т. Д. Ещё один пример. Если бы не было С. В., то были оы стабильны и широко распространены в обычном веществе Мюоны (μ) и π-мезоны, а также Странные частицы, которые, как известно, под действием С. В. Распадаются за миллионные — миллиардные доли сек на обычные (нестранные) частицы. Столь большая роль С. В. Связана с тем, что С. В. Не подчиняется ряду запретов, которым подчиняются сильное и электромагнитное взаимодействия. В отличие от сильного и электромагнитного взаимодействий, С. В. Нарушает закон сохранения странности (См. Странность). Нарушает С. В. И др. Фундаментальную симметрию природы — зеркальную (см. Пространственная инверсия), в слабых распадах максимально нарушается закон сохранения пространственной чётности (См.

Чётность) и зарядовой чётности (см. Зарядовое сопряжение). В обусловленных С. В. Процессах распада долгоживущих нейтральных К-мезонов (См. Мезоны) на десятые доли процента происходит нарушение сохранения т. Н. Комбинированной чётности (см. Комбинированная инверсия) и временной обратимости микропроцессов (т. Н. Т-инвариантности. См. Обращение времени). (Подробнее см. Ниже.) Интенсивности слабых процессов быстро растут с ростом энергии. Так, например, Бета-распад нейтрона, энерговыделение в котором мало (Слабые взаимодействия 1 Мэв) по сравнению с энергиями порядка энергии покоя адронов, длится около 103 сек., что на 13 порядков больше, чем время жизни Λ-гиперона (См. Гипероны). Сечение взаимодействия с нуклонами (протонами и нейтронами) для нейтрино, имеющих энергии Слабые взаимодействия 100 Гэв, примерно в миллион раз больше, чем для нейтрино с энергией Слабые взаимодействия 1 Мэв.

Вплоть до каких энергий продлится рост сечения с энергией, пока не ясно. Возможно, он не прекратится до энергий Слабые взаимодействия1000 Гэв в системе центра масс сталкивающихся частиц. Возможно, однако, что этот рост остановится при гораздо меньших энергиях. Наиболее распространённый процесс, обусловленный С. В., — (β-распад радиоактивных атомных ядер. Явление радиоактивности (См. Радиоактивность) было обнаружено в 1896 А. А. Беккерелем (См. Беккерель). В течение первой трети 20 в. Экспериментально исследовались энергетические спектры β-радиоактивных ядер (Э. Резерфорд, Дж. Чедвик, Л. Майтнер). Результатом этого исследования явилась гипотеза (1931, В. Паули) о том, что в β-распаде наряду с электроном (е-) испускается ещё одна лёгкая частица, получившая позднее название нейтрино.

И хотя экспериментально свободное нейтрино было обнаружено лишь в 1956, уже в 1934, исходя из гипотезы Паули, Э. Ферми построил теорию (β-распада, которая (с некоторыми модификациями) лежит в основе современной теории С. В. Согласно теории Ферми, электрон и нейтрино (более точно. Антинейтрино), вылетающие из (β-радиоактивного ядра, не находились в нём до этого, а возникают в момент распада. Это явление аналогично испусканию фотонов низкой энергии (видимого света) возбуждёнными атомами или фотонов высокой энергии (γ-квантов) возбуждёнными ядрами. Как известно, свет испускается электроном при переходе с одного атомного уровня на другой, более низкий. Аналогично γ-кванты испускаются нуклонами, переходящими с более высоких, возбуждённых уровней в ядре на более низкие.

Первичной причиной этих процессов является взаимодействие электрических зарядов с электромагнитным полем. Движущаяся заряженная частица — электрон или протон — возмущает электромагнитное поле, причём энергия частицы передаётся квантам поля — фотонам. Движущийся заряд создаёт электромагнитный ток, и обычно говорят о взаимодействии фотонов с электромагнитным током. В квантовой электродинамике взаимодействие электрона с фотоном описывается выражением типа .