Слабое взаимодействие

МИНОБРНАУКИ РОССИИ

Федеральное государственное бюджетное образовательное учреждение

высшего профессионального образования

"Санкт-Петербургский государственный электротехнический университет "ЛЭТИ" им. В. И. Ульянова (Ленина)"

(СПбГЭТУ)

Факультет экономики и менеджмента

Кафедра физики

РЕФЕРАТ

По дисциплине "Концепции современного естествознания"

на тему "Слабое взаимодействие"

Проверил:

Альтмарк Александр Моисеевич

Выполнила:

студентка гр. 3603

Колисецкая Мария Владимировна

Санкт-Петербург

г

Оглавление

1. Слабое взаимодействие - одно из четырех фундаментальных взаимодействий

. Свойства слабого взаимодействия

. История изучения

. Роль в природе

Список используемой литературы

. Слабое взаимодействие - одно из четырех фундаментальных взаимодействий

Слабое взаимодействие, или слабое ядерное взаимодействие, - одно из четырёх фундаментальных взаимодействий <https://ru.wikipedia.org/wiki/%D0%A4%D1%83%D0%BD%D0%B4%D0%B0%D0%BC%D0%B5%D0%BD%D1%82%D0%B0%D0%BB%D1%8C%D0%BD%D1%8B%D0%B5_%D0%B2%D0%B7%D0%B0%D0%B8%D0%BC%D0%BE%D0%B4%D0%B5%D0%B9%D1%81%D1%82%D0%B2%D0%B8%D1%8F> в природе. Оно ответственно, в частности, за бета-распад <https://ru.wikipedia.org/wiki/%D0%91%D0%B5%D1%82%D0%B0-%D1%80%D0%B0%D1%81%D0%BF%D0%B0%D0%B4> ядра. Это взаимодействие называется слабым, поскольку два других взаимодействия, значимые для ядерной физики <https://ru.wikipedia.org/wiki/%D0%AF%D0%B4%D0%B5%D1%80%D0%BD%D0%B0%D1%8F_%D1%84%D0%B8%D0%B7%D0%B8%D0%BA%D0%B0> (сильное <https://ru.wikipedia.org/wiki/%D0%A1%D0%B8%D0%BB%D1%8C%D0%BD%D0%BE%D0%B5_%D0%B2%D0%B7%D0%B0%D0%B8%D0%BC%D0%BE%D0%B4%D0%B5%D0%B9%D1%81%D1%82%D0%B2%D0%B8%D0%B5> и электромагнитное <https://ru.wikipedia.org/wiki/%D0%AD%D0%BB%D0%B5%D0%BA%D1%82%D1%80%D0%BE%D0%BC%D0%B0%D0%B3%D0%BD%D0%B8%D1%82%D0%BD%D0%BE%D0%B5_%D0%B2%D0%B7%D0%B0%D0%B8%D0%BC%D0%BE%D0%B4%D0%B5%D0%B9%D1%81%D1%82%D0%B2%D0%B8%D0%B5>), характеризуются значительно большей интенсивностью. Однако оно значительно сильнее четвёртого из фундаментальных взаимодействий, гравитационного <https://ru.wikipedia.org/wiki/%D0%93%D1%80%D0%B0%D0%B2%D0%B8%D1%82%D0%B0%D1%86%D0%B8%D0%BE%D0%BD%D0%BD%D0%BE%D0%B5_%D0%B2%D0%B7%D0%B0%D0%B8%D0%BC%D0%BE%D0%B4%D0%B5%D0%B9%D1%81%D1%82%D0%B2%D0%B8%D0%B5>. Силы слабого взаимодействия не хватает, чтобы удерживать частицы друг около друга (т.е. образовывать связанные состояния). Оно может проявляться только при распадах и взаимных превращениях частиц.

Слабое взаимодействие является короткодействующим - оно проявляется на расстояниях, значительно меньших размера атомного ядра <https://ru.wikipedia.org/wiki/%D0%90%D1%82%D0%BE%D0%BC%D0%BD%D0%BE%D0%B5_%D1%8F%D0%B4%D1%80%D0%BE> (характерный радиус взаимодействия 2·10?18 м).

Переносчиками слабого взаимодействия являются векторные бозоны <https://ru.wikipedia.org/wiki/%D0%92%D0%B5%D0%BA%D1%82%D0%BE%D1%80%D0%BD%D1%8B%D0%B5_%D0%B1%D0%BE%D0%B7%D0%BE%D0%BD%D1%8B> , и . При этом различают взаимодействие так называемых заряженных слабых токов <https://ru.wikipedia.org/wiki/%D0%97%D0%B0%D1%80%D1%8F%D0%B6%D0%B5%D0%BD%D0%BD%D1%8B%D0%B9_%D1%82%D0%BE%D0%BA> и нейтральных слабых токов <https://ru.wikipedia.org/wiki/%D0%9D%D0%B5%D0%B9%D1%82%D1%80%D0%B0%D0%BB%D1%8C%D0%BD%D1%8B%D0%B9_%D1%82%D0%BE%D0%BA>. Взаимодействие заряженных токов (при участии заряженных бозонов ) приводит к изменению зарядов частиц и превращению одних лептонов и кварков в другие лептоны и кварки. Взаимодействие нейтральных токов (при участии нейтрального бозона ) не меняет заряды частиц и переводит лептоны и кварки в те же самые частицы.

Впервые слабые взаимодействия наблюдались при ?-распаде атомных ядер. И, как оказалось, эти распады связаны с превращениями протона в нейтрон в ядре и обратно:

р ? n + е+ + ?e, n ? р + е- + e,

где n - нейтрон, p - протон, e- - электрон, ??e - электронное антинейтрино.

Элементарные частицы принято делить на три группы:

) фотоны; эта группа состоит всего лишь из одной частицы - фотона - кванта электромагнитного излучения;

) лептоны (от греч. «лептос» - легкий), участвующие только в электромагнитном и слабом взаимодействиях. К лептонам относятся электронное и мюонное нейтрино, электрон, мюон и открытый в 1975 г. тяжелый лептон - t-лептон, или таон, с массой примерно 3487me, а также соответствующие им античастицы. Название лептонов связано с тем, что массы первых известных лептонов были меньше масс всех других частиц. К лептонам относится также таонное нейтрино, существование которого в последнее время также установлено;

) адроны (от греч. «адрос» - крупный, сильный). Адроны обладают сильным взаимодействием наряду с электромагнитным и слабым. Из рассмотренных выше частиц к ним относятся протон, нейтрон, пионы и каоны.

. Свойства слабого взаимодействия

Слабое взаимодействие обладает отличительными свойствами:

. В слабом взаимодействии принимают участие все фундаментальные фермионы <https://ru.wikipedia.org/wiki/%D0%A4%D0%B5%D1%80%D0%BC%D0%B8%D0%BE%D0%BD> (лептоны <https://ru.wikipedia.org/wiki/%D0%9B%D0%B5%D0%BF%D1%82%D0%BE%D0%BD> и кварки <https://ru.wikipedia.org/wiki/%D0%9A%D0%B2%D0%B0%D1%80%D0%BA>). Фермионы (от фамилии итальянского физика Э. Ферми <#"22" src="doc_zip7.jpg" />, -x, -y, -z, -, .

Операция P изменяет знак любого полярного вектора

-,
-.

Операция пространственной инверсии переводит систему в зеркально симметричную. Зеркальная симметрия наблюдается в процессах под действием сильного и электромагнитного взаимодействий. Зеркальная симметрия в этих процессах означает, что в зеркально симметричных состояниях переходы реализуются с одинаковой вероятностью.

г. ? Янг Чжэньнин, Ли Цзундао получил нобелевскую премию по физике. За глубокие исследования так называемых законов четности, которые привели к важным открытиям в области элементарных частиц.

. Помимо пространственной чётности, слабое взаимодействие не сохраняет также и комбинированной пространственно-зарядовой чётности, то есть единственное из известных взаимодействий нарушает принцип CP-инвариантности <https://ru.wikipedia.org/wiki/CP-%D0%B8%D0%BD%D0%B2%D0%B0%D1%80%D0%B8%D0%B0%D0%BD%D1%82%D0%BD%D0%BE%D1%81%D1%82%D1%8C>.

Зарядовая симметрия означает, что если существует какой-либо процесс с участием частиц, то при замене их на античастицы (зарядовом сопряжении), процесс также существует и происходит с той же вероятностью. Зарядовая симметрия отсутствует в процессах с участием нейтрино и антинейтрино. В природе существуют только левоспиральные нейтрино и правоспиральные антинейтрино. Если каждую из этих частиц (для определённости будем рассматривать электронное нейтрино ?e и антинейтрино e) подвергнуть операции зарядового сопряжения, то они перейдут в несуществующие объекты с лептонными числами и спиральностями.

Таким образом, в слабых взаимодействиях нарушаются одновременно P- и C-инвариантность. Однако, если над нейтрино (антинейтрино) совершить две последовательные операции ? P- и C-преобразования (порядок операций не важен), то вновь получим нейтрино, существующие в природе. Последовательность операций и (или в обратном порядке) носит название CP-преобразования. Результат CP-преобразования (комбинированной инверсии) ?e и e следующий:

Таким образом, для нейтрино и антинейтрино операция, переводящая частицу в античастицу, это не операция зарядового сопряжения, а CP-преобразование.

. История изучения

Изучение слабых взаимодействий продолжалось длительный период.
В 1896 году Беккерель обнаружил, что соли урана испускают проникающее излучение (?-распад тория). Это стало началом исследования слабого взаимодействия.
В 1930 году Паули выдвинул гипотезу о том, что при ?-распаде наряду с электронами (е) испускаются легкие нейтральные частицы ? нейтрино (?). В том же году Ферми предложил квантово-полевую теорию ?-распада. Распад нейтрона (n) есть следствие взаимодействия двух токов: адронныи ток переводит нейтрон в протон (р), лептонный - рождает пару электрон + нейтрино. В 1956 году Райнес впервые наблюдал реакцию ер? nе+ в опытах вблизи ядерного реактора.

Ли и Янг объяснили парадокс в распадах K+-мезонов (? ~ ? загадка) ? распад на 2 и 3 пиона. Он связан с несохранением пространственной четности. Зеркальная асимметрия обнаружена в ?-распаде ядер, распадах мюонов, пионов, K-мезонов и гиперонов.
В 1957 году Гелл-Манн, Фейнман, Маршак, Сударшан предложили универсальную теорию слабого взаимодействия, основанную на кварковой структуре адронов. Эта теория, получившая название V-A теории, привела к описанию слабого взаимодействия с помощью диаграмм Фейнмана. Тогда же были открыты принципиально новые явления: нарушение СР-инвариантности и нейтральные токи.

В 1960-х годах Шелдоном Ли Глэшоу <https://ru.wikipedia.org/wiki/%D0%93%D0%BB%D1%8D%D1%88%D0%BE%D1%83,_%D0%A8%D0%B5%D0%BB%D0%B4%D0%BE%D0%BD_%D0%9B%D0%B8>, Стивеном Вайнбергом <https://ru.wikipedia.org/wiki/%D0%92%D0%B0%D0%B9%D0%BD%D0%B1%D0%B5%D1%80%D0%B3,_%D0%A1%D1%82%D0%B8%D0%B2%D0%B5%D0%BD> и Абдусом Саламом <https://ru.wikipedia.org/wiki/%D0%A1%D0%B0%D0%BB%D0%B0%D0%BC,_%D0%90%D0%B1%D0%B4%D1%83%D1%81> на основе хорошо разработанной к тому времени квантовой теории поля <https://ru.wikipedia.org/wiki/%D0%9A%D0%B2%D0%B0%D0%BD%D1%82%D0%BE%D0%B2%D0%B0%D1%8F_%D1%82%D0%B5%D0%BE%D1%80%D0%B8%D1%8F_%D0%BF%D0%BE%D0%BB%D1%8F> была создана теория электрослабых взаимодействий <https://ru.wikipedia.org/wiki/%D0%AD%D0%BB%D0%B5%D0%BA%D1%82%D1%80%D0%BE%D1%81%D0%BB%D0%B0%D0%B1%D0%BE%D0%B5_%D0%B2%D0%B7%D0%B0%D0%B8%D0%BC%D0%BE%D0%B4%D0%B5%D0%B9%D1%81%D1%82%D0%B2%D0%B8%D0%B5>, объединяющая в себе слабое и эектромагнитное взаимодействия. Ими были введены калибровочные поля <https://ru.wikipedia.org/wiki/%D0%9A%D0%B0%D0%BB%D0%B8%D0%B1%D1%80%D0%BE%D0%B2%D0%BE%D1%87%D0%BD%D1%8B%D0%B5_%D0%BF%D0%BE%D0%BB%D1%8F> и кванты этих полей - векторные бозоны <https://ru.wikipedia.org/wiki/%D0%92%D0%B5%D0%BA%D1%82%D0%BE%D1%80%D0%BD%D1%8B%D0%B5_%D0%B1%D0%BE%D0%B7%D0%BE%D0%BD%D1%8B> , и в роли переносчиков слабого взаимодествия. Кроме того, было предсказано существование неизвестных ранее слабыхнейтральных токов <https://ru.wikipedia.org/wiki/%D0%9D%D0%B5%D0%B9%D1%82%D1%80%D0%B0%D0%BB%D1%8C%D0%BD%D1%8B%D0%B9_%D1%82%D0%BE%D0%BA>. Эти токи были обнаружены экспериментально в 1973 году <https://ru.wikipedia.org/wiki/1973_%D0%B3%D0%BE%D0%B4_%D0%B2_%D0%BD%D0%B0%D1%83%D0%BA%D0%B5> при изучении процессов упругого рассеяния нейтрино и антинейтрино нуклонами <https://ru.wikipedia.org/wiki/%D0%9D%D1%83%D0%BA%D0%BB%D0%BE%D0%BD>.

В 1991-2001 годах на ускорителе LEP2 (ЦЕРН) проводилось изучение распадов Z0-бозонов, которое показало, что в природе существует только три поколения лептонов: ?e, ?? и ??.

. Роль в природе

ядерное взаимодействие слабое

Наиболее распространённый процесс, обусловленный слабым взаимодействием, - b-распад радиоактивных атомных ядер. Явление радиоактивности <#"justify">Список используемой литературы

1. Новожилов Ю.В. Введение в теорию элементарных частиц. М.: Наука, 1972

. Окунь Б. Слабое взаимодействие элементарных частиц. М.: Физматгиз, 1963