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, к-рые оно вызывает. Обычно сравнивают между собой скорости процессов при энергиях порядка 108-109эв, к-рые являются характерными для физики элементарных частиц, т. к. именно такого порядка массы (выраженные в энергетич. единицах) большинства элементарных частиц (напр., масса л-мезона 1,4 • 108 эв, масса протона 9,4 • 108 эв). При таких энергиях процесс, обусловленный сильным взаимодействием, происходит за время ~10-24сек; за это время сильно взаимодействующая частица (адрон), движущаяся со скоростью порядка скорости света (3 х 1010 см/сек), пролетает расстояние порядка своих размеров (~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: ~ 10-1° 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 неск. 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 гравитац. взаимодействие, сила к-рого при энергии ~ 109 эв в 1033 раз (на 33 порядка) меньше, чем у С. в. Однако в повседневной жизни роль гравитац. взаимодействия гораздо заметней роли С. в. Это связано с тем, что гравитац. взаимодействие, так же как электромагнитное, имеет бесконечно большой радиус действия; поэтому, напр., на тела, находящиеся на поверхности Земли, действует гравитац. притяжение со стороны всех атомов, из к-рых состоит Земля. Слабое же взаимодействие обладает настстолько малым радиусом действия, что величина этого радиуса до сих пор не измерена: она наверняка меньше 10-14cм, а возможно, и 10-15 см, что на два порядка меньше радиуса сильного взаимодействия. Вследствие этого, напр., С. в. между ядрами двух соседних атомов, находящихся на расстоянии 10-8 см, 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 (п), позитрон (е+) и нейтрино (v). 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 с образованием пульсаров и т. д. Ещё один пример: если бы не было С. в., то были бы стабильны и широко распространены в обычном веществе мюоны. (м) и п-мезоны, а также странные частицы, к-рые, 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. Нарушает С. в. и др. фундаментальную симметрию природы - зеркальную (см. Пространственная инверсия); в слабых распадах максимально нарушается закон сохранения пространственной чётности и зарядовой чётности (см. Зарядовое сопряжение).
В обусловленных С. в. процессах распада долгоживущих нейтральных К-мезонов 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, напр., бета-распад нейтрона, энерговыделение в к-ром мало ( ~ 1 Мэв) по сравнению с энергиями порядка энергии покоя адронов, длится ок. 103 сек, что на 13 порядков больше, чем время жизни Л-гиперона. Сечение взаимодействия с нуклонами (протонами и нейтронами) для нейтрино, имеющих энергии ~ 100 Гэв, примерно в миллион раз больше, чем для нейтрино с энергией ~ 1 Мэв. Вплоть до каких энергий продлится рост сечения с энергией, пока не ясно. Возможно, он не прекратится до энергий ~1000 Гэв в системе центра масс сталкивающихся частиц. Возможно, однако, что этот рост остановится при гораздо меньших энергиях.
Наиболее распространённый процесс, обусловленный С. в.,-В(бетта)-распад радиоактивных атомных ядер. Явление радиоактивности было обнаружено в 1896 А. А. Беккерелем. В течение первой трети 20 в. экспериментально исследовались энергетич. спектры В-радиоактивных ядер (Э. Резерфорд, Дж. Чедвик, Л. Майтнер). Результатом этого исследования явилась гипотеза (1931, В. Паули) о том, что в В-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 В-распада, к-рая (с нек-рыми модификациями) лежит в основе совр. теории С. в.
Согласно теории Ферми, электрон и нейтрино (более точно: антинейтрино), вылетающие из В-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 (y(гамма)-квантов) возбуждёнными ядрами. Как известно, свет испускается электроном при переходе с одного атомного уровня на другой, более низкий. Аналогично y-кванты испускаются нуклонами, переходящими с более высоких, возбуждённых уровней в ядре на более низкие. Первичной причиной этих процессов является взаимодействие электрич. 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
Здесь е - элементарный электрич. заряд, являющийся константой электромагнитного взаимодействия (безразмерной константой, характеризующей интенсивность протекания электромагнитных процессов, является величина а=е2/hc~=1/137, где h - постоянная Планка, с - скорость света), ф(пси) - оператор уничтожения электрона, находящегося в исходном состоянии, ф - оператор рождения электрона в конечном состоянии, А - оператор рождения фотона. Т. о., вместо исходного электрона возникают две частицы: электрон, находящийся в другом состоянии (с меньшей энергией), и фотон. Более точно взаимодействие электрона с фотоном описывается выражением
Индекс М(мю) в величине АМпринимает четыре значения: М = О, 1, 2, 3 и указывает, что величина АМ преобразуется как четырёхмерный вектор при Лоренца преобразованиях. [Напомним, что четырёхмерный вектор образуют, напр., четырёхмерные координаты частицы xМ (х0 = ct, x1= х, x2 = y, x3 = z) или её энергия и импульс рМ(р0 = Е/с, p1 = рx, p2 = = рy, рз = pz, где E - энергия частицы, px, py, pz - компоненты её трёхмерного импульса).] Скалярное произведение двух четырёхмерных векторов определяется следующим образом: xМpМ= xорo-- x1p1 - x2р2 - x3рз(по одинаковым индексам М производится суммирование; для краткости знак суммы опускается). Поскольку электромагнитное поле является векторным, то о кванте этого поля - фотоне - говорят как о векторной частице. Величина
наз. электромагнитным током. Чтобы взаимодействие (1) было лоренц-инвариантным, необходимо, чтобы электромагнитный ток
также являлся четырехмерным вектором и взаимодействие тока с фотонным полем представляло собой скалярное произведение двух четырёхмерных векторов (именно на это указывает повторение индекса М). Четыре матрицы yМ (матрицы Дирака) введены для того, чтобы из операторов
к-рые являются четырёхмерными спинорами относительно преобразований Лоренца, сконструировать четырёхмерный вектор - электромагнитный ток.
Уточним теперь смысл операторов ф и ф. Они описывают процессы не только с участием частиц (электронов), но и с участием античастиц (позитронов). Оператор ф(пси) уничтожает электронили рождает позитрон, а оператор ф рождает электрон или уничтожает позитрон. Оператор А описывает как рождение, так и уничтожение фотонов, поскольку абсолютно нейтральная частица - фотон -сама является своей античастицей. Т. о., взаимодействие еффА описывает не только испускание и поглощение света электронами и позитронами, но и такие процессы, как рождение электрон-позитронных пар фотонами или аннигиляция этих пар в фотоны.
Рис. 1.
Рис. 2.
Обмен фотоном (у) между двумя заряженными частицами приводит к взаимодействию этих частиц друг с другом.
В результате возникает, напр., рассеяние электрона протоном, к-рое схематически изображается Фейнма-на диаграммой, представленной на рис. 1. При переходе протона в ядре с одного уровня на другой это же взаимодействие может привести к рождению ядром электрон-позитронной пары (рис. 2).
Теория В-распада Ферми по существу аналогична теории электромагнитных процессов. В основу теории Ферми положил взаимодействие двух "слабых токов", но взаимодействующих между собой не на расстоянии путём обмена частицей - квантом поля (фотоном в случае электромагнитного взаимодействия), а контактно. Это взаимодействие в совр. обозначениях имеет вид:
Здесь G - константа Ферми, или константа С. в., эксперимент. значение к-рой G ~ 10-49 эрг х см3; величина G/hc имеет размерность квадрата длины, и в единицах с = h = 1 G ~ 10-5/М2Р, где Мр- масса протона; р - оператор рождения протона (уничтожения антипротона), n - оператор уничтожения нейтрона (рождения антинейтрона), е - оператор рождения электрона (уничтожения позитрона), v - оператор уничтожения нейтрино (рождения антинейтрино). [Здесь и в дальнейшем операторы рождения и уничтожения частиц обозначены символами соответствующих частиц, набранными полужирным шрифтом.] Ток рyМn, переводящий нейтрон в протон, получил впоследствии название нуклонного, а ток eyМv - лептонного (электрон и нейтрино - лептоны). Ферми постулировал, что, подобно электромагнитному току, слабые токи также являются четырёхмерными векторами. Поэтому фермиевское взаимодействие наз. векторным. (Заметим, что первоначальная идея Ферми заключалась в том, что нуклонный ток рyМv аналогичен электромагнитному току рyМv, лептонный ток еyМv -электромагнитному полю Д,. Однако в написанное им выражение нуклонный и лептонный токи вошли равноправно, и дальнейшее развитие теории всё в большей степени подчёркивало это равноправие.)
Рис. 3, Рис. 4, Рис. 5.
Подобно испусканию электрон-позитронной пары, В-распад нейтрона может быть описан похожей диаграммой (рис. 3) [в статье античастицы помечены значком "тильда" (~) над символами соответствующих частиц]. Но из сказанного выше об операторах рождения и уничтожения частиц следует, что взаимодействие лептонного и нуклонного токов должно давать и другие слабые процессы, напр. реакцию
Существенным отличием слабого тока от электромагнитного является то, что слабый ток меняет заряд частиц, в то время как электромагнитный ток не меняет: слабый ток превращает нейтрон в протон, электрон в нейтрино, а электромагнитный оставляет протон протоном, а электрон электроном.
Поэтому слабые токи рn и ev наз. заряженными токами. Согласно такой терминологии, обычный электромагнитный ток ее является нейтральным током. Обсуждение вопроса о нейтральных слабых токах типа vМvМ, ММ см. ниже.
Следует подчеркнуть, что теория Ферми опиралась на результаты исследований в трёх различных областях: 1) экспериментальные исследования собственно С. в. (В-распад), приведшие к гипотезе о существовании нейтрино; 2) экспериментальные исследования сильного взаимодействия (ядерные реакции), приведшие к открытию протонов и нейтронов и пониманию того, что ядра состоят из этих частиц; 3) экспериментальные и теоре-тич. исследования электромагнитного взаимодействия, в результате к-рых был заложен фундамент квантовой теории поля.
Дальнейшее (и особенно позднейшее) развитие физики элементарных частиц неоднократно подтверждало плодотворную взаимозависимость исследований сильного, слабого и электромагнитного взаимодействий.
Вопрос о том, действительно ли слабое В-распадное взаимодействие - векторное, был предметом теоретич. и экспериментальных исследований в течение более 20 лет. За эти годы выяснилось, что С. в. ответственно не только за В-распад ядер, но и за медленные распады нестабильных элементарных частиц. После открытия мюонов, п-мезонов, К-мезонов и гиперонов в кон. 40 - нач. 50-х гг. была сформулирована гипотеза об универсальном характере С. в., ответственного за распады всех этих частиц.
В 1956 при теоретич. исследовании распадов К-мезонов Ли Цзун-дао и Ян Чжэпъ-нин (США) выдвинули гипотезу о том, что С. в. не сохраняет чётность; вскоре несохранение чётности было обнаружено экспериментально в В-распаде ядер (By Цзянь-сюн и сотрудники, США), в распада мюона [Р. Гарвин, Л. Ледерман (США) и др.] и в распадах др. частиц.
Осенью 1956 Л. Д. Ландау и независимо Ли, Ян, Р. Эме выдвинули гипотезу, согласно к-рой в С. в. нарушается не только пространственная чётность (Р), но и зарядовая чётность (С), причём таким образом, что сохраняется их произведение - комбинированная чётность (СР-чётность). Инвариантность С. в. относительно комбинированной инверсии означала бы, что процессы с участием частиц являются "зеркальными" по отношению к процессам с участием соответствующих античастиц. Так, напр., угловые распределения электронов (е-) при распаде отрицательных мюонов (М-) и позитронов (е+) при распаде М+ выглядят так, как это изображено на рис. 6. Нарушение комбинированной инверсии, хотя и наблюдалось, но только в распадах нейтральных К-мезонов (см. ниже).
Обобщая огромный экспериментальный материал, М. Гелл-Ман, Р. Фейнман, Р. Маршак и Е. Судершан (США) в 1957 предложили теорию универсального слабого взаимодействия, т. н. V - А-теорию. В этой теории, так же как в теории Ферми, С. в. возникает за счёт слабых токов. Отличие заключается лишь в двух пунктах:
Во-первых, у Ферми слабый ток был векторным, а в новой теории ток представляет собой сумму вектора (V) и аксиального вектора (А). (Аксиальный ток конструируется с помощью матриц yMy5, где y5 = iyoy1y2y3.) При преобразованиях Лоренца оба эти тока (V и А) ведут себя одинаково, подобно обычным четырёхмерным векторам. Однако при зеркальных отражениях они ведут себя по-разному, т. к. обладают различной чётностью. В результате слабый ток не обладает определённой чётностью. Это свойство слабого тока отражает несохранение чётности в С. в., обнаруженное на опыте.
Во-вторых, кроме членов рп и eve, в токе появились ещё другие члены: мюонный, МvM, переводящий мюонное нейтрино vM, в мюон [мюонное нейтрино было открыто экспериментально в 1962, и нейтрино, выступающее в реакциях совместно с электроном (позитроном), стали называть электронным и обозначать символом ve], и странный адронный ток, приводящий к распаду странных частиц (К-мезонов и гаперонов). Что касается нуклонного тока рп, то он теперь выступает как одно из проявлений адронного тока, не меняющего странность.
Рис. 6. Нарушение пространственной чётности инвариантности относительно зарядового сопряжения в процессах слабого взаимодействия, а также инвариантность слабого взаимодействия относительно комбинированной инверсии иллюстрируются на распадах М+->e+ + vc + + vМ (а) и М- -> е- + ve + vМ (б). Жирная стрелка - направление спина мюона М+(М-) ("кружок" со стрелкой обозначает направление "вращения", отвечающее указанному направлению спина); тонкая стрелка - направление импульса позитрона е+ (электрона е-); пунктирная стрелка - изображение вылета е+ (е-) в "зеркале" Р (при зеркальном отражении направление спина-направление "вращения" - не меняется). Если бы в слабых взаимодействиях сохранялась пространственная чётность, т. е. существовала зеркальная симметрия, то вероятности вылета е+ (е-) под углами V и п - V к направлению спина М+(М-) были бы одинаковыми. Если бы слабое взаимодействие было инвариантно относительно зарядового сопряжения, то распады М+ и М- выглядели бы одинаково. В действительности этого не наблюдается. Инвариантность слабых взаимодействий относительно комбинированной инверсии проявляется в том, что оказываются одинаковыми вероятности вылета е+ под углом V к спину М+ (а) и вылета е- под углом п - V к спину М- (б).
Адронные токи (нестранный и странный) более сложны, чем лептонные, поскольку число известных лептонов мало
(е+, ve, ~ve, M+-, vM, ~vM а число известных адронов достигает неск. сотен. Можно, однако, предположить, что все известные адроны построены из трёх типов более элементарных частиц, к-рые получилиназвание кварков: протонного кварка р, нейтронного кварка и, странного кварка Л(лямбда) и их античастиц - антикварков.
Нуклоны состоят из трёх кварков: р = ррп, n = ппр; Л-гиперон, напр., содержит в своём составе наряду с р- и n-кварками ещё и странный кварк: Л = рnЛ; мезоны состоят из кварка и антикварка: п+ = рп, п- - рп, К+ = рЛ, К- = ~Л, K° = n~Л, К° = ~nЛ. Гипотеза кварков прекрасно объясняет широкий круг явлений, относящихся к свойствам сильных и электромагнитных взаимодействий адронов и их классификации. Согласно этой гипотезе, В -распад нейтрона происходит за счёт того, что в нейтроне один нейтронный кварк превращается в протонный кварк, испуская пару е- ve~ Аналогично, распад Л->р + е- + Ve~ происходит за счёт превращения Л-кварка в р-кварк: Л->р + е- + V~e, при этом слабый адронный ток можно записать в виде:
где р - оператор рождения р~-кварка (уничтожения р~-кварка), и - оператор уничтожения n-кварка (рождения n~-кварка), Л - оператор уничтожения Л-кварка (рождения Л~-кварка), в - т.н. угол Кабиббо, к-рый, как показал опыт, равен примерно 150. То, что sin V<cos V, отражает тот факт, что распады с изменением странности частиц подавлены (идут с меньшей вероятностью) по сравнению с распадами, в к-рых странность сохраняется. Напр., распад Л->р + е- + + v~e подавлен по сравнению с распадом нейтрона n->р + е- + v~e. Это утверждение не следует понимать, однако, слишком буквально, т. к. вероятность распада определяется не только силой взаимодействия соответствующих токов, но и величиной энергии, выделяющейся в распаде, а именно пропорциональна пятой степени этой энергии. А энерговыделение в распаде нейтрона на два порядка меньше, чем в распаде Л-гиперона. Т. о., малость sinV означает лишь, что Л-гиперон хотя и распадается на 10 порядков быстрее нейтрона, однако примерно в 20 раз медленней, чем распадался бы нейтрон, если бы он имел массу Л-гиперона.
Если обозначить через jwсуммарный слабый ток:
то энергия (более точно - лагранжиан L) С, в. приобретает вид:
здесь G - константа С. в., индекс + означает сопряжённый ток:
Каждое из слагаемых в токах jwи jw+ представляет собой сумму вектора и аксиального вектора, напр. eyM(l +y5) ve. Такое выражение для С. в. описывает все известные слабые процессы, кроме т. н. нейтральных токов (см. ниже). Эти процессы можно расклассифицировать по тому, произведение каких слагаемых в токах jwи jw+ за них ответственно. В клетках таблицы перенумерованы соответствующие процессы.
Таблица слабых процессов
Клетки таблицы, симметричные относительно диагонали, содержат прямые и соответствующие обратные процессы.
1. Произведение токов (vce)(eve) описывает упругое рассеяние ve + е->ve + + е; на опыте это рассеяние пока не обнаружено, но точность экспериментов несколько хуже необходимой для измерения предсказываемой теорией величины .
2. Произведение токов (vee)(MvM) ответственно за распады M+->е+ + ve + + v~M и M-->е- + v~e + vM, к-рые хорошо изучены и прекрасно описываются теорией.
3. Произведение токов (pn)(eve) ответственно за B-распады ядер и распады типа п+->е+ + ve и п+->п° + е+ + ve. Вероятность последнего распада на основе аналогии между слабым векторным током и электромагнитным током (на основе гипотезы сохраняющегося векторного тока) была предсказана Я. Б. Зельдовичем и С. С. Герштейном ещё в 1955; последующие эксперименты подтвердили это предсказание. Это же взаимодействие приводит к нейтринной реакции ve + р->е+ + n, обнаруженной в 1956 Ф. Райнесом и К. Коуэном (США) в пучке антинейтрино от ядерного реактора.
4. Произведение токов (pЛ)(eve) ответственно за В-распады странных частиц, в к-рых меняется странность, напр. Л -> р + е- + v~e, S- -> n + е- + v~e, К+->е+ + ve, К+->е+ + ve + п° и т. д.
В этих распадах имеют место след. правила отбора, вытекающие из вида слабого тока и подтверждённые на опыте: 1)АS = ±1, где АS-изменение странности адронов, участвующих в распаде (АS = S1 - S2, S1 - странность распадающегося адрона, S2 - странность адронов, появившихся в результате распада); 2) АS = AО, где AО - изменение электрич. заряда адронов; 3) AT = 1/2, где AТ - изотопический спин странного адронного тока.
5. Произведение токов (vMM)(MvM) приводит к процессу vM->M+ + M- + + vM, к-рый должен происходить при взаимодействии нейтрино высокой энергии с кулоновским полем ядра. Теоретически предсказанная величина сечения процесса меньше предела, достигнутого при экспериментальных поисках этого процесса.
6. Произведение токов (pn)(MvM) ответственно за процессы захвата мюонов атомными ядрами, в основе которых лежит реакция M- + р -> n + vM. Этот захват детально изучен для большого числа различных ядер. Кроме того, это же произведение ответственно за основной канал распада заряженных п-мезонов: п+->М+ + vM, п-->M- + v~M, а также за основную часть нейтринных реакций
при высоких энергиях, к-рые наблюдаются в пучках нейтрино, образованных при распадах п- и К-мезонов, рождающихся при бомбардировке ядер энергичными протонами от ускорителей. Такие нейтринные пучки имеются в ряде лабораторий. При столкновении энергичного нейтрино с нуклоном могут происходить как квазиупругие процессы: vM + п-> M- + р или v~M + р->M+ + п, так и неупругие: vM(v~M) + нуклон ->M-(M+) + + нуклон + мезоны. В обычных пучках нейтрино высоких энергий доля электронных нейтрино мала, т. к. п-мезоны в основном распадаются с испусканием M и vM.
7. Произведение токов (рЛ)(МvM) приводит к мюонным распадам странных частиц с изменением странности:
и т. д., подчиняющихся тем же правилам отбора, что и соответствующие электронные распады (см. пункт 4). Кроме того, оно ответственно за нейтринные реакции, в к-рых рождаются одиночные странные частицы.
8. Произведение токов (рп)(пр) приводит к слабым ядерным силам, не сохраняющим, в отличие от обычных ядерных сил, пространственную чётность (Р). Такие Р-нечётные силы, предсказанные теорией, были обнаружены на опыте Ю. Г. Абовым, П. А. Крупчицким, В. М. Лобашёвым, В. А. Назаренко и др. (СССР).
9. Произведение (рЛ)(пр) ответственно за многочастичные нелептонные распады странных частиц:
10. Произведение (рЛ)(Лр) даёт вклад в Р-нечётные ядерные силы (см. пункт 8).
Рассмотренное выше выражение, описывающее С. в., не объясняет два явления: 1) нарушение СР-инвариантности, обнаруженное в 1964 в эксперименте Дж. Кристенсена, Дж. Кронина, В. Фитча и Р. Тёрли (США); 2) нейтральные нейтринные токи, обнаруженные в 1973 в ЦЕРНе (Европейском центре ядерных исследовании),
Экспериментальное исследование СР-неинвариантных эффектов в распадах нейтральных К-мезонов на два п-мезона, на пeve и на пМvM привело к выводу, что СР-неинвариантное взаимодействие является либо мяллислабым (т. е. в 1000 раз слабее обычного С. в.), либо сверхслабым (в миллиард раз слабее обычного С. в.). Для выяснения природы СР-неинвариантного взаимодействия было бы крайне важным найти к.-л. СР-неинвариантный процесс не в распадах нейтральных К-мезонов, а в распадах или взаимодействиях др. частиц. В частности, большой интерес представляют поиски дипольного момента нейтрона.
Нейтральные нейтринные токи обнаружены при взаимодействии мюонных нейтрино и антинейтрино с нуклонами: vM + n(p) -> vM + адроны, v~M + п(р)->v~M + адроны. Сечения этих реакций составляют соответственно примерно 0,2 и 0,4 от сечений аналогичных реакций, протекающих под действием заряженного тока.
Открытие нейтральных токов означает, что теория С. в., созданная в 1957, должна быть существенно модифицирована. В действительности такая модифицированная теоретическая модель С. в., содержащая нейтральные токи, была предложена ешё в 1967 С. Вайнбергом (США) и А. Саламом (Пакистан), и она в значительной степени стимулировала поиски нейтральных токов. В основе этой модели и её различных позднейших вариаций лежит гипотеза о том, что С. в. представляет собой не контактное взаимодействие токов, а осуществляется путём обмена промежуточными векторными бозонами (W)-тяжёлыми частицами со спином 1. Гипотеза о том, что переносчиками С. в. являются векторные бозоны, делает более полной аналогию с электромагнитным взаимодействием, из к-рой исходил Ферми. Чтобы убедиться в этом, достаточно сравнить рис. 2, 3 и 7. Действительно, роль промежуточного фотона на рис. 2 играет промежуточный бозон W на рис. 7.
Рис. 7.
Из неопределённостей соотношения следует, что, для того чтобы обеспечить малый радиус С. в., масса промежуточного бозона Mw должна быть достаточно велика. Расстояние, к-рое проходит виртуальный промежуточный бозон, порядка h/Mwс. В основе модели Вайнберга - Салама лежит идея о единой природе слабого и электромагнитного взаимодействий. При этом предполагается, что взаимодействие W-бозона со слабым током по силе такое же (более точно, примерно такое же), как взаимодействие фотона с электромагнитным током: в обоих случаях сила взаимодействия определяется электрич. зарядом е. Фермиевская константа является величиной вторичной и выражается через а и Mw:
В модели Вайнберга - Салама промежуточных бозонов три: два заряженных, W+ и W-, и один нейтральный, Z°. Эти частицы, согласно расчётам, должны быть в десятки раз тяжелее протона (Mw >~ 40Мр, Mz >~ 80МР). Характерная величина массы этих бозонов получается из величины константы С. в. G и постоянной тонкой структуры а = 1/137, характеризующей электромагнитное взаимодействие частиц (Мw2 >~a/G). To обстоятельство, что в теорию существенным образом входит а, отражает очень важное свойство теории: она является единой теорией слабого и электромагнитного взаимодействий. При этом промежуточные бозоны и нейтральные токи необходимы для того, чтобы теория была непротиворечивой.
Как отметил ещё в 1936 В. Гейзенберг, контактное взаимодействие фермиевских токов приводит к очень сильному росту С. в. на малых расстояниях. Позднейшие теоретич. исследования показали, что теория такого взаимодействия неперенормируема: содержит бесконечное число бесконечных величин.
В отличие от контактной фермиевской теории и от теории с одними лишь заряженными промежуточными бозонами, теория, содержащая симметричным образом заряженные и нейтральные бозоны и токи, перенормируема. Она содержит лишь неск. бесконечно больших величин, от к-рых можно избавиться с помощью операции, называемой перенормировкой (см. Квантовая теория поля).
Промежуточные бозоны (W+, W-, Z0) -нестабильные частицы. Т. к. их масса очень велика, то для их образования нужны очень высокие энергии, недоступные совр. ускорителям.
Очень важный вопрос в модели Вайнберга - Салама - вопрос о нейтральных токах, меняющих странность, к-рые на опыте на много порядков подавлены по сравнению с заряженными токами и с нейтральными токами, сохраняющими странность. Напр., распад долгоживущего нейтрального К-мезона: KL->M+ + + M- подавлен по сравнению с распадом К+->M+ + vMв 108 раз, а верхний предел для распада К+->п+ + v, + v~] составляет примерно 10-7 от полной вероятности распада К-мезона. О ещё более сильной подавленности нейтральных токов, изменяющих странность, свидетельствует наблюдённая на опыте малая величина разности масс долгоживущего и короткоживущего нейтральных К-мезонов; такая разность масс возникает за счёт перехода К°<=>К° и была бы очень большой, если бы существовало прямое взаимодействие нейтральных токов (nЛ) (nЛ). Для того чтобы в рамках теории объяснить отсутствие нейтральных токов с изменением странности, было постулировано, что наряду с тремя кварками р, п, Л существует четвёртый кварк с, к-рый получил назв. "очарованного", или ‘‘суперзаряженного". При этом заряженный адронный ток, взаимодействующий с W-бозонами, имеет вид:
а нейтральный адронный ток, взаимодействующий с Z°-бозоном, переводит кварки сами в себя: он содержит четыре слагаемых рр, пп, ЛЛ, сс и не содержит слагаемых типа nЛ и, следовательно, сохраняет странность.
Если существуют с-кварки, то должны существовать и адроны, содержащие эти кварки, т. н. "очарованные адроны". Осенью 1974 С. Тинг с сотрудниками и Б. Рихтер с сотрудниками (США) обнаружили мезоны с массами в 3,1 Гэв и 3,7 Гэв, к-рые, возможно, являются состояниями типа сс~. Если такая интерпретация верна, то это открытие указывает на правильность стратегии, лежащей в основе модели Вайнберга - Салама и ведущихся в настоящее время работ по созданию единой теории слабых, электромагнитных и сильных взаимодействий.
Лит.: Паули В., Нарушение зеркальной симметрии в законах атомной физики. К старой и новой теории нейтрино, в сб.: Теоретическая физика 20 века, М., 1962, с. 376 - 418; By Ц. С., М о ш к о в с к и й С. А., Бета-распад, пер. с англ., М., 1970; Окунь Л. Б., Слабое взаимодействие элементарных частиц, М., 1963; Магshak R. Е., Riazuddin, Ryan С. P., Theory of weak interactions in particle physics, N. Y., 1969. Л. Б. Окунь.
СЛАБЫЙ ФЕРРОМАГНЕТИЗМ,
существование небольшого [~0,1-10 СГСМ/моль, или ~102-104а/(м х моль)] спонтанного магнитного момента у определённых классов антиферромагнетиков. Этот магнитный момент может возникать в результате нестрогой антипараллельности векторов намагниченности магнитных подрешёток антиферромагнетика (по перечный С. ф.) или в результате неравенства величин намагниченности двух антипараллельных подрешёток антиферромагнетика (см. Антиферромагнетизм). Наиболее подробно С. ф. изучен в ромбоэдрических антиферромагнетиках (a-Fe2O3, МпСОз, NiCO3, СоСОз, FeBO3 и др.), в ортоферритах - RFeO3 (R - трёхвалентный ион редкоземельного элемента) и в NiF2. Тот факт, что С. ф. наблюдается в химически чистых антиферромагнетиках и не связан с ферромагнитными примесями, был установлен для NiF2 Л. Матарессе и Дж. Стаутом (США, 1954) и для МпСО3 и СоСОз. А. С. Боровиком-Романовым и М. П. Орловой (1956). У всех до сих пор известных антиферромагнетиков с С. ф. обнаружен поперечный С. ф. Теоретич. объяснение С. ф. было дано И. Е. Дзялошинским (СССР, 1957), к-рый показал, что существование С. ф. следует из самых общих представлений о магнитной симметрии кристаллов. Теория Дзялошинского, в частности, объясняет, почему в одноосных кристаллах С. ф. наблюдается, когда намагниченность подрешёток направлена перпендикулярно главной оси симметрии кристалла, и отсутствует, когда намагниченность параллельна оси. Эффективное магнитное поле, приводящее к С. ф., получило название поля Дзялошинского. Оно в 102-104 раз слабее эффективного поля обменного взаимодействия, обусловливающего намагниченность магнитных подрешёток кристалла.
Лит.: Вонсовский С. В., Магнетизм, М., 1971, с. 749; Боровик- Романов А. С., Антиферромагнетизм, в сб.: Антиферромагнетизм и ферриты, М., 1962 (Итоги науки. Физико-математические науки, т. 4). А. С. Боровик-Романов.
Смотреть больше слов в «Большой советской энциклопедии»
один из четырёх типов известных фундаментальных взаимодействий между элементарными частицами (три других типа — электромагнитное, гравитационно... смотреть
forces de faible portée