2 Слабое взаимодействие 5 Слабое взаимодействие. Универсальное четырехфермионное (v-a)



жүктеу 170.52 Kb.
Дата30.04.2016
өлшемі170.52 Kb.

2. ЧАСТИЦЫ И ВЗАИМОДЕЙСТВИЯ 2.5. Слабое взаимодействие



2.5. Слабое взаимодействие
2.5.1. Слабое взаимодействие. Универсальное четырехфермионное (V-A) взаимодействие с заряженными и нейтральными токами Вионы (промежуточные векторные бозоны)

Слабое взаимодействие – одно из четырех взаимодействий между элементарными частицами. Оно превращает заряженные лептоны в нейтрино, а кварки одного сорта в кварки другого сорта. Слабое взаимодействие значительно слабее сильного и электромагнитного, но гораздо сильнее гравитационного. Согласно экспериментальным данным слабое взаимодействие короткодействующее. Радиус слабого взаимодействия 2·10-16 см, т.е. в тысячу раз меньше, чем радиус сильного взаимодействия. Только в слабых взаимодействиях принимают участие нейтрино. При энергиях 1 ГэВ процессы со слабым взаимодействием происходят за время 10-10 сек. (см. табл.2.6.). Интенсивность слабых процессов быстро растет с ростом энергии пропорционально квадрату энергии в системе центра инерции.

Реакции, вызываемые слабыми взаимодействиями при энергиях порядка 100 МэВ, имеют сечения в 1013 раз меньшие, чем сечения сильного взаимодействия. Поэтому реакции, обусловленные слабым взаимодействием, можно практически наблюдать, когда сильное или электромагнитное взаимодействия выключены, например, под действием нейтрино. Характерное время протекания «слабых» процессов превышает в 1013 раз характерные времена «сильных» процессов. Это сразу позволяет выделить реакции и распады, идущие по каналу слабого взаимодействия.

В чисто лептонных процессах участвуют только лептоны: распады мюона и таона (тау-лептона), упругое рассеяние нейтрино на электронах. В полулептонных процессах участвуют лептоны и адроны: лептонные распады заряженных – и К–мезонов, реакции взаимодействия нейтрино с нуклонами. Нелептонные процессы между адронами: распады каонов и гиперонов. Все перечисленные процессы объясняются на основе универсальности слабого взаимодействия, существующего между лептонами и кварками, из которых состоят адроны.

В процессах с участием слабого взаимодействия отсутствует зарядовая и зеркальная симметрия, т.е. нарушается пространственная и зарядовая четности, а также изменяются на единицу квантовые числа адронов странность и очарование ( и ).

Наиболее распространенный процесс, обусловленный слабым взаимодействием – бета-распад радиоактивных атомных ядер.

Например, распад свободного нейтрона на протон, электрон, и электронное антинейтрино: . Энерговыделение около 1 МэВ, время распада порядка тысячи сек. Распад нейтрона в кварковой модели показан на рис. 2.16.


Рис.2.16. Диаграмма распада нейтрона на протон, электрон и антинейтрино:



в кварковой модели. Один из d - кварков нейтрона испускает отрицательный W - - бозон и превращается в u- кварк, т.е. меняет свой аромат. - бозон по каналу слабого взаимодействия распадается на электрон е - и электронное антинейтрино

Универсальное четырехфермионное (VA)-взаимодействие с заряженными и нейтральными токами

Ток в квантовой теории поля – оператор плотности четырехмерного тока описывает превращение одной частицы в другую или рождение пары частица-античастица.

Согласно универсальной теории слабого взаимодействия гамильтониан четырех фермионного слабого взаимодействия представляет собой произведение двух токов j, каждый из которых является комбинацией векторного V и аксиального A токов (VA) – взаимодействие.




. (2.54)
Здесь знак + означает эрмитовое сопряжение, = (ct, x1, x2, x3) – пространственно-временная точка, ( = 0, 1, 2, 3) – индекс 4-фермионного тока, по которому предполагается суммирование.

Ток составлен из операторов рождения и уничтожения пары фермионов. Символически, опуская векторный индекс , заряженный ток можно записать в виде

, (2.55)

заряженный ток недиагонален, т.е. переводит один лептон в другой, один кварк в другую линейную комбинацию.

Например, первое слагаемое в (2.55) равно

, (2.56)

где – оператор рождения электрона, – оператор уничтожения электронного нейтрино, матрицы Дирака, преобразуется как вектор при преобразованиях Лоренца и пространственной инверсии, – как аксиальный вектор. Три последних оператора в (2.55) являются линейными комбинациями операторов рождения кварков, так что кварковый заряженный ток состоит из девяти слагаемых.

Векторно-аксиальная структура (V-A) токов приводит к характерной зависимости реакций слабого взаимодействия от спинов участвующих частиц. Это связано с тем, что матрица (), действуя на волновую функцию фермиона, выделяет из неё состояния с левой спиральностью. В этом случае спин частицы направлен против импульса частицы, т.е. против направления движения частицы.

Заряженный слабый ток – оператор теории слабого взаимодействия отвечает за переходы, при которых электрический заряд начальных и конечных частиц меняется на единицу элементарного электрического заряда. Заряженный слабый ток описывает взаимодействие лептонов и кварков с полем заряженных промежуточных векторных бозонов . Он превращает нейтрон в протон, электрон в нейтрино. Заряженный ток равен сумме лептонного тока и кваркового тока , каждый из которых является суммой векторного и аксиального токов.

, (2.57)

где = (ct, x1, x2, x3) – пространственно-временная точка – = 0, 1, 2, 3.

В заряженный лептонный ток входят только левые компоненты полей лептонов

, (2.58)

где – операторы полей заряженных лептонов, – операторы нейтрино.

Через операторы полей u(x), d(x), s(x ) кварков заряженный ток Каббибо записывается так:

. (2.59)
При учете дополнительного очарованного с-кварка к току Каббибо необходимо добавить ток ГИМ ( Ш. Глэшоу, Дж. Илиопулос, Л. Майани 1970 г.):
, (2.60)

где с(х) – оператор поля с-кварка.

Взаимодействие заряженного тока с полем промежуточных векторных бозонов описывается плотностью лагранжиана

, (2.61)

где – поле заряженных промежуточных векторных бозонов , g – безразмерная константа взаимодействия (в единицах с = 1, ħ = 1), ħ.с. эрмитовое сопряжение.

Плотность эффективного гамильтониана взаимодействия заряженных токов имеет вид

, (2.62)

где – ток, эрмитово сопряженный , – фермиевская константа слабого взаимодействия.

Полный заряженный адронный ток для трех кварковых дублетов

. (2.63)

Кварковые комбинации определяются матрицей КобаяшиМаскава



. (2.64)

, (2.65)
где равенство означает, что этот элемент очень мал.

Унитарная матрица (Кобаяши, Маскава, 1973) зависит от трех углов Эйлера и одной фазы


, (2.66)
где

Если фаза отлична от нуля, то это означает, что слабое взаимодействие не инвариантно относительно СР-преобразования.



Нейтральный ток – оператор, описывающий взаимодействие кварков и лептонов с полем нейтрального промежуточного бозона Z0. В этих переходах не меняется электрический заряд конечных и начальных кварков и лептонов. Нейтральный ток состоит из суммы лептонного и адронного (кваркового) тока, каждый из которых является суммой векторного и аксиального токов.

, (2.67)

где = (ct, x1, x2, x3) – пространственно-временная точка; =0, 1, 2, 3

Взаимодействия с участием нейтральных токов не сохраняют пространственную четность. Примером процесса с нейтральными лептонным и адронным токами является упругое рассеяние нейтрино на протоне .

Взаимодействие нейтрального тока с полем нейтрального бозона описывается полностью плотностью лагранжиана



, (2.68)

g – безразмерная константа взаимодействия (в единицах с=1, ħ=1) связана с электрическим зарядом е и углом Вайнберга соотношением в области перeдаваемых импульсов, много меньших массы зет-бозона. Bзаимодействие нейтральных токов описывается плотностью гамильтониана




(2.69)


где GF – фермиевская константа слабого взаимодействия,

Полный слабый нейтральный ток содержит вклады от всех лептонов и всех кварков:

(2.70)

Важным свойством нейтральных токов является их диагональность. Они переводят каждый лептон или кварк сам в себя.

Нейтральный ток каждого лептона и кварка определяется электромагнитным током и током третьей компоненты слабого изоспина

. (2.71)

Нейтральный ток для нейтрино (первое слагаемое в (2.70))



, (2.72)

где – оператор нейтринного поля.

Нейтральный ток для электрона (электромагнитный ток )

, (2.73)

где содержит операторы уничтожения позитрона и рождения электрона, – содержит операторы уничтожения электрона и рождения позитрона в пространственно–временной точке х . В другой записи (четвертое слагаемое в (2.70)



, (2.74)

здесь – оператор электронного поля, черта над операторами означает дираковское сопряжение, , – матрицы Дирака. Важнейшее свойство электромагнитного тока – его сохранение , является следствием калибровочной инвариантности квантовой электродинамики.


Вионы

Помежуточные векторные бозоныкванты слабого взаимодействия, массивные частицы со спином единица: W+, W-, Z0. Масса равна 80,22 ГэВ, масса Z0 равна 91,173 ГэВ. Положительно и отрицательно заряженные дубль–ве–бозоны W+,- осуществляют взаимодействие заряженных токов. Нейтральный зет – ноль – бозон Z0 осуществляет взаимодействие нейтральных токов (см. рис.2.19.). Заряженный W-бозон в 70% случаев распадается в адронные состояния и в 30% случаев – в лептонные состояния типа (лептон, нейтрино). Нейтральный бозон распадается в 71% в лептонные состояния типа (лептон, антилептон) и (нейтрино, антинейтрино). Фермиевская константа слабого взаимодействия равна = 10-49 эрг см3 в системе СГС или 1,1 ∙ 10-5 (ГэВ)2 в системе, где ħ = с = 1 :

, (2.75)

где – постоянная тонкой структуры.

В 80-е гг. ХХ в. было установлено, что слабое и электромагнитное взаимодействия – это различные проявления единого электрослабого взаимодействия.

Если «выключить» слабое взаимодействие, то погасло бы Солнце и звезды, так как прекратился бы водородный цикл сгорания протонов с образованием гелия. Без слабого взаимодействия были бы стабильны нейтрон, мюон, пи-мезон, странные и очарованные частицы.


Феймановские диаграммы для слабого взаимодействия

Для слабого взаимодействия на (рис.2.17) показаны вершины диаграмм и диаграммы рассеяния нейтрино и антинейтрино на электроне, а также диаграмма для распада мюона.




Рис. 2.17. Вершины феймановских диаграмм для слабого взаимодействия. В левой колонке показаны элементарные узлы для превращений лептонов
Заряженные вионы изменяют электрический заряд лептонов. Нейтральный бозон осуществляет взаимодействие нейтральных токов. В правой колонке (см.рис.2.17) показаны аналогичные элементарные узлы для превращений кварков по каналу слабого взаимодействия.

Рис.2.18. Феймановская диаграмма для вклада заряженного тока в сечение рассеяния антинейтрино на электроне

Рис.2.19. Феймановская диаграмма для вклада нейтральных лептонных

токов в упругое рассеяние нейтрино на электроне

Рис.2.20. Диаграмма для реакции распада отрицательного мюона с участием векторного бозона


2.5.2. Спонтанное нарушение симметрии скалярного поля. Спонтанное нарушение локальной калибровочной симметрии SU(2). Механизм Хиггса
Спонтанное нарушение симметрии скалярного поля

Рассмотрим поле скалярных частиц, описываемых лагранжианом с двухгорбым потенциалом (см. рис. 2.21)



с λ > 0 и < 0. (2.76)

Возьмем производную от



.

Потенциал V(x) имеет минимумы в точках



. (2.77)

Разложим лагранжиан в окрестности минимума



, (2.78)

где – квантовые флуктуации вокруг классического минимума.

Подставим ,

и

в лагранжиан (2.76).

Получим лагранжиан возмущения



. (2.79)

Сравним его с лагранжианом для уравнения Клейна-Гордона



, (2.80)

содержащим явно массовый член. Видно, что второе слагаемое (массовый член) имеет коэффициент . Члены более высокого порядка и представляют самодействие поля. Таким образом, спонтанное нарушение симметрии скалярного поля привело к возникновению массы у скалярного поля.




Рис. 2.21. Потенциал комплексного скалярного поля в случае, когда < 0 и > 0

Спонтанное нарушение локальной калибровочной симметрии SU(2). Механизм Хиггса

Возьмем модельный лагранжиан слабого взаимодействия



, (2.81)

где – изотопический спинор в группе – это дублет комплексных скалярных полей



. (2.82)

В лагранжиане (2.81) второе слагаемое массовое, третье слагаемое – самодействие скалярных полей, четвертое слагаемое – кинетическая энергия калибровочных полей.

Для инвариантности лагранжиана относительно локальных фазовых преобразований группы

(2.83)

вводим ковариантные производные согласно примеру 4 (формула 2.43):



, (2.84)

, (2.85)

– напряженность поля Янга–Миллса.

Возникает три калибровочных поля с дополнительно к четырем скалярным полям (i =1, 2, 3, 4) согласно формуле .

В случае, когда <0 и >0 потенциал имеет минимум при конечном значении , при котором

.

Множество точек, в которых потенциал принимает минимальное значение, инвариантно относительно преобразований группы . Возьмем точку минимума φ1 = φ2 = φ4, , которую обозначим . Это эквивалентно спонтанному нарушению – симметрии.

Разложим теперь в окрестности этого специально выбранного вакуума

, (2.86)

подстановка этого выражения в исходный лагранжиан (2.80)приводит к выражению



.(2.87)

Таким образом, из четырех скалярных полей остается только одно хиггсово поле .

Подставляяв лагранжиан (2.87), выделяя второе слагаемое

(2.88)

и сравнивая его с массовым слагаемым для бозона , получаем, что три калибровочных бозона обрели массу



. (2.89)

Сравнивая в следующем третьем слагаемом (2.86) член и массовый член , получаем бозон Хиггса с массой



, (2.90)

где ГэВ, величина константы λ, к сожалению, не известна.

Отметим, что бозон Хиггса экспериментально не обнаружен (2010 г.). Механизмом Хиггса называется механизм возникновения массы у калибровочного поля вследствие спонтанного нарушения симметрии.
2.5.3. Электрослабое взаимодействие

Электромагнитное и слабое взаимодействия объединены в единую теорию электрослабого взаимодействия Глэшоу-Вайнберга-Салама на основе калибровочной группы . Наблюдение промежуточных векторных бозонов W+, W-, Z0 на протон-антипротонных встречных пучках является прямым экспериментальным подтверждением данной теории. Характерной чертой теории является присутствие киральных фермионов (фермионные поля являются собственными векторами проекционных операторов ), что проявляется как нарушение Р-инвариантности в слабых процессах.



Электрослабое взаимодействие – взаимодействие, в котором участвуют кварки и лептоны, излучая и поглощая фотоны или тяжелые промежуточные векторные бозоны W+, W-, Z0. Электрослабое взаимодействие описывается квантовополевой калибровочной теорией с группой симметрии со спонтанно нарушенной симметрией (Вайнберг, Салам, 1967).

В исходной теории имеется три безмассовых векторных поля , соответствующие симметрии с константой и поле , связанное с симметрией с константой . Исходная симметрия должна быть спонтанно нарушена так, чтобы получили массы кванты слабого взаимодействия , а квант электромагнитного поля (фотон) остался безмассовым.

Два нейтральных поля , соответствуют линейным комбинациям наблюдаемых физических полей и

,

, (2.91)

где угол Вайнберга.

Минимальное число скалярных полей, приводящих к возникновению масс трех промежуточных бозонов, равно четырем. В качестве таковых выбирается комплексный дублет, т.е. вектор спинорного представления группы : и , где + означает эрмитово сопряжение.

Исходный лагранжиан калибровочных и скалярных полей, инвариантный относительно калибровочных преобразований с группой , имеет вид



, (2.92)

первое слагаемое – динамическое, второе слагаемое – массовый член, третье слагаемое – самодействие, четвертое слагаемое – кинетическая энергия калибровочных полей, пятое слагаемое – кинетическая энергия фотонного поля.

Здесь >0 константа взаимодействия поля Хиггса; тензор напряженности фотонного поля , где – 4-векторный потенциал электромагнитного поля; – напряженность поля Янга-Миллса. Ковариантная производная определена выражением

,

, (2.93)

где – константы взаимодействия поля Хиггса с полями и В, – Матрицы Паули.

Явление (механизм) Хиггса осуществляется при отрицательных квадратах масс скалярных частиц < 0. Предполагается, что скалярное поле приобретает ненулевое вакуумное среднее . Скалярные поля переопределяются

, . (2.94)

Здесь физическими полями являются , , . Подстановка переопределенных скалярных полей в лагранжиан приводит к появлению члена первой степени по полю .

Если вакуумное среднее поля равно нулю, то . Решение нарушает симметрию. Коэффициенты при квадратах полей равны, т.е. , а у калибровочного поля появляется масса . Безмассовые скалярные частицы уходят из физического спектра в результате явления Хиггса. При этом необходимо провести следующее калибровочное преобразование векторных потенциалов заряженных бозонов:

. (2.95)

Заряженные бозоны приобретают массу , и нейтральные поля и образуют комбинацию



, (2.96)

причем нейтральный бозон приобретает массу . Угол Вайнберга связан с константами связи



, . (2.97)

Таким образом, три безмассовых скаляра в результате механизма Хиггса включаются в массивные векторные поля. Из равенства заряда элементарному заряду е получаем связь



=. (2.98)

Для описания взаимодействия векторных и скалярных полей с элементарными спинорами-лептонами и кварками вводятся лептонные мультиплеты

левые и правые ,

аналогично при для ,

и кварковые мультиплеты

левые , правые ,

и аналогично при k= 2, 3 для .

Штрихи у кварков означают комбинацию кварков d, s, b, определяемую через матрицу Кобаяси–Маскава.

Преобразование левых и правых компонент поля подчиняется калибровочному преобразованию группы

,

. (2.99)

Здесь – слабый гиперзаряд, определенный соотношением



, (2.100)

где Q – оператор заряда, являющийся генератором группы , оператор гиперзаряда генерирует группу .

Слабые токи описываются группой с зарядами , которые генерируют алгебру группы

. (2.101)

Окончательный вид электрослабого взаимодействия лептонов и кварков с векторными полями следующий:



, (2.102)

где заряженный ток состоит из лептонного и кваркового



, (2.103)

электромагнитный ток состоит из диагональных лептонных (), обычных кварковых и комбинационных кварковых токов ,



, (2.104)

нейтральный ток состоит из кваркового, комбинационного кваркового и электромагнитного токов



. (2.105)

Калибровочная константа связи . Масса заряженных векторных бозонов



, (2.106)

где константа электромагнитного взаимодействия .

Таким образом, окончательный лагранжиан стандартной модели (Вайнберга- Салама) электрослабого взаимодействия имеет вид (см.табл.2.5).

Экспериментальным подтверждением электрослабой теории является:



открытие нейтральных токов в 1973 г.,

получение экспериментального значения угла Вайнберга ,

открытие векторных бозонов в 1986 г.,

открытие – кварка в 1995 г.
Лагранжиан стандартной модели (Вайнберга- Салама)

электрослабого взаимодействия Таблица 2.5



Лагранжиан стандартной модели (Вайнберга- Салама) электрослабого взаимодействия =

=

Кинетическая энергия и самодействие частиц полей ,, +

+

Кинетическая энергия лептонов и кварков и взаимодействие лептонов и кварков с частицами полей ,, +


++


Взаимодействия и массы частиц полей ,, и хиггсовской частицы Н +

+

Массы кварков и лептонов и взаимодействие кварков и лептонов с хигговской частицей Н.





Примечание к табл. 2.5

Здесь индексом обозначен левый фермионный (лептонный или кварковый) дублет, а индексом – правый фермионный синглет.
Экспериментальные данные, находящиеся в согласии с электрослабой теорией это:

1. Данные по многочисленным распадам частиц (проверка взаимодействия заряженного тока с -бозоном.

2. Данные по нейтринным реакциям (проверка взаимодействия с -бозонами)

3. Данные по массам и ширинам уровней самих векторных бозонов.



Основная проблема, требующая решения, – изучение механизма нарушения исходной инвариантности. Главное – экспериментальное обнаружение хиггсовой скалярной частицы Н, электрослабая теория не предсказывает её массу (, где ГэВ значение константы поля Хиггса не известно). Активно обсуждается возможность поиска бозона Хиггса Н (электрический заряд 0) в диапазоне 100 ГэВ < Мн < 1000 ГэВ = 1 ТэВ, (наиболее вероятная между 114 ГэВ и 192 ГэВ), которая будет исследована на новом протон-антипротонном суперколлайдере в ЦЕРНЕ (запущен в 2009 г.) и работающем Тэватроне Лаборатории им Ферми. Другая важная проблема – это механизм нарушения СР- и Т-инвариантностей (экспериментально нарушения зарегистрированы, но не известна причина их возникновения).



©netref.ru 2017
әкімшілігінің қараңыз

    Басты бет