Částice a interakce | Slabá interakce

Působení interakce: Slabá interakce je výběrová interakce. Působí jen na levotočivé částice s nenulovou vůní (flavour). Vůně je náboj (Q_F) slabé interakce, mají ji leptony a kvarky, existuje celkem 12 vůní (e, ν_e, μ, ν_μ, τ, ν_τ, d, u, s, c, b, t), tedy každá z částic jinak „voní“. Točivost (chiralita) se posuzuje podle projekce spinu do směru letu částice. Slabá interakce nepůsobí na pravotočivé částice. Pravotočivé neutrino dokonce s nejvyšší pravděpodobností vůbec neexistuje.
Dosah interakce: Konečný, slabá interakce má krátký dosah, cca 10^–17 m. Polní částice slabé interakce mají nenulovou hmotnost (W^± mají hmotnost 80 GeVElektronvolt – jednotka energie. Jde o energii, kterou získá elektron urychlením v potenciálovém rozdílu jeden volt, 1 eV = 1,6×10⁻¹⁹ J. V jaderné fyzice se používají spíše větší násobky této jednotky, kiloelektronvolt keV (10³ eV), megaelektronvolt MeV (10⁶ eV), gigaelektronvolt GeV (10⁹ eV), teraelektronvolt TeV (10¹² eV) nebo petaelektronvolt PeV (10¹⁵ eV). V těchto jednotkách se také vyjadřuje hmotnost (E=mc²) a teplota (E=k_BT). Jeden elektronvolt odpovídá teplotě přibližně 11 600 K. a Z⁰ má hmotnost 91 GeV).
Symetrie interakce: Slabá interakce nerozpozná od sebe vůni částic uzavřených v závorkách:(e, ν_e), (μ, ν_μ), (τ, ν_τ), (d, u), (s, c) či (b, t). Například elektron se svým neutrinem mají pro slabou interakci jednu jedinou vůni. Při slabé interakci se obě částice chovají zcela stejně (nikoli ale při elektromagnetické, tam se jejich chování výrazně liší). Každé takové dvojici částic říkáme dublet. Slabá.interakce od sebe samozřejmě „pozná“ částice z různých dubletů – ty mají pro slabou interakci různou vůni, tedy různý slabý náboj. Symetrii nazýváme SU(2), což je anglická zkratka pro Special Unitary – v matematice je popsána komplexními maticemi 2×2 (zaměňují a mixují dvě částice nerozlišitelné při slabé interakci). Tyto matice jsou unitární (Unitary) s determinantem rovným jedné (Special). Unitární matice jsou matice, které se nezmění, překlopíme-li je kolem diagonály a komplexně sdružíme. V matematice reprezentují unitární matice dvě třídy operací: rotaci (det = +1) a zrcadlení (det = −1).
Polní částice: Symetrie je popsána komplexními maticemi 2×2, ty jsou složeny z 8 reálných a imaginárních částí prvků matice. Podmínka na unitaritu představuje 4 rovnice a podmínka na determinant 1 rovnici. Máme tedy 8 – 4 – 1 = 3 volné parametry. Těm odpovídají 3 polní částice W⁺, W^– a Z⁰. Vzhledem k tomu, že jde o interakci krátkého dosahu, je hmotnost těchto částic nenulová. Částice W^± a Z⁰ mají klidové hmotnosti 80 GeV a 91 GeV.

Základní vlastnosti
působení	výběrové, na Q_F ≠ 0 (leptony a kvarky)
dosah	konečný, 10^–17 m
symetrie	SU(2)
polní částice	polní vektorové bosony W⁺, W^–, Z⁰

Trocha historie

Slabá interakce byla poprvé poznána u β rozpadu neutronu. Od té doby bylo pozorováno mnoho rozpadů částic ovládaných slabou interakcí. Jde o rozpady s relativně velmi dlouhými poločasy (odtud název slabá interakce) od 10^–15 s do dlouhých hodin a týdnů. Interakce působí na značné množství částic (na všechny leptony a kvarky a samozřejmě částice z kvarků složené). Nepůsobí na polní částice.

V roce 1956 byly pozorovány slabé rozpady K⁺ mezonů, které nezachovávaly pravolevou symetriiP symetrie – symetrie vzhledem k záměně levého a pravého směru. O symetrii hovoříme, pokud by se přístroj vytvořený podle zrcadlového obrazu choval shodně s původním přístrojem. Z této symetrie plyne existence zachovávající se veličiny, kterou nazýváme parita (odsud písmenko P, paritní symetrie). Pokud by symetrie platila, parita by se zachovávala. Narušení levopravé symetrie prokázala čínská fyzička C. S. Wu z Kolumbijské univerzity v roce 1957 v experimentu s rozpadem kobaltu 60.. Tento závažný fakt byl ověřen laboratorním experimentem s β rozpadem kobaltu Co 60 v roce 1957 (experiment navrhli Tsung Lee a Chen Yang a provedla ho Chien-Shiung Wu z Kolumbijské university). Tak bylo poprvé přímo detekováno narušení P symetrie. V roce 1964 (James Cronin, Val Fitch, NC 1980) byly pozorovány rozpady levotočivého K⁰_L mezonu na piony π⁺ a π^–, které sice málo, ale přece jen narušují i CP symetriiCP symetrie – levopravá symetrie kombinovaná se symetrií částice – antičástice. Označení CP pochází z anglických slov „charge“ a „parity“. Základní otázkou je, zda experiment připravený podle zrcadlového obrazu z antičástic by fungoval shodně s původním experimentem. Narušení CP symetrie v přírodě prokázali James Cronin a Val Fitch v roce 1964 v experimentech s rozpadem kaonů.. Veškeré tyto experimenty znamenaly první poznávání zákonů slabé interakce.

Gejzír Strokkur je výsledkem ohřevu zemského nitra způsobeného radioaktivním rozpadem, tedy slabou interakcí

Islandský gejzír Strokkur v geotermální oblasti u řeky Hvítá chrlí každých 5 až 10 minut vařící vodu do výšky přes 20 metrů. Tepelná energie pochází z radioaktivního rozpadu hornin. Za tento rozpad je zodpovědná slabá interakce. Foto: A. Tille.

V šedesátých letech byly navrženy první teorie slabé interakce, které postupně vedly k vybudování teorie založené na SU(2) symetrii. Teorie slabé interakce se nazývá kvantová flavourdynamika, zkratku má QFD (Quantum Flavour Dynamics). „Flavour“ česky znamená vůni, jde tedy o teorii postavenou na symetrii vůně při slabé interakci, symetrii SU(2).

Při slabé interakci dochází k výměně polních vektorových bosonů W⁺, W^–, Z⁰. Tyto částice teoreticky předpověděli Steven Weinberg, Abdus Salam a Sheldon Glashow, kteří jsou autory jednotné teorie elektromagnetické a slabé interakce (elektroslabé interakce). Za tuto práci obdrželi Nobelovu cenu v roce 1979. Předpovězené polní částice objevil v Evropském středisku jaderného výzkumu CERNCERN – Conseil Européen pour la Recherche Nucléaire, Evropské centrum jaderného výzkumu. Komplex urychlovačů a laboratoří na pomezí Švýcarska a Francie založený v roce 1954. Na výzkumu se podílí 22 členských zemí včetně České republiky. K největším objevům patří detekce polních částic slabé interakce, příprava antivodíku a vytvoření kvarkového-gluonového plazmatu, pralátky, z níž vznikal vesmír. V současné době je zde vybudován největší urychlovač světa – Large Hadron Collider, který byl po závadě na jednom z magnetů opětovně spuštěn na konci roku 2009. V roce 2012 byl na LHC objeven Higgsův boson, poslední částice standardního modelu. V CERNu byl také vynalezen a poprvé použit Web. Carlo Rubbia na přelomu roku 1983 a 1984. Za jejich objev obdržel Nobelovu cenu spolu s konstruktérem zařízení Simonem van der Meerem v roce 1984. V době, kdy Weinberg, Salam a Glashow zformulovali teorii elektroslabé interakce, byly známy jen první tři kvarky (d, u, s). Z jejich teorie bylo zřejmé, že by měl existovat ještě čtvrtý kvark (c), který bude v rámci vůně spárován do dubletu s podivným kvarkem (s). Předpověděli tak nejenom polní částice slabé interakce, ale i existenci čtvrtého kvarku. Ten byl objeven v roce 1975 jako vázaný stav cc (částice J/ψ).

Tvůrci elektroslabé teorie: Weinberg, Salam a Glashow.

Feynmanovy diagramy

Základní diagramy se skládají z leptonové či kvarkové linie, vrcholu a linie polní částice W⁺, W^– nebo Z⁰. Na rozdíl od elektromagnetické interakce máme nyní diagramy dvou typů. První je podobný jako v elektromagnetické interakci. Částice Z⁰ neodnáší žádný elektrický náboj (hovoříme o tzv. neutrálních tocích). Částice kvarkové či leptonové linie pokračuje za vrcholem. Jiná situace ale nastane, je-li polní částicí W⁺ nebo W^–. Tyto částice přináší do či odnáší z vrcholu elektrický náboj. Z hlediska slabé interakce jde sice pořád o jednu částici (SU(2) symetrie), ale z hlediska elektromagnetické interakce se horní částice dubletu (dvojice částic se stejnou vůní) stává dolní či naopak:

Feynmanovy diagramy elektroslabé teorie. První z diagramů odpovídá
elektromagnetické teorii, tedy výměně fotonu.

Vhodnou deformací čtyř základních diagramů elektroslabé interakce dostáváme již v prvním řádu značné množství možností. Povšimněte si, že z hlediska slabé interakce se elektron a jeho neutrino (nebo kvark down a up) chovají v nabitých tocích jako jediná částice. V následujících diagramech je jen část z mnoha možností diagramů prvního řádu:

Některé Feynmanovy diagramy elektroslabé teorie.

Typické slabé procesy

Feynmanovy diagramy některých typických procesů
	Coulombův zákon Druhý kanál reakce je oprava k elektrodynamice způsobená slabou interakcí. Elektron s elektronem interagují na malých vzdálenostech také slabě pomocí částice Z⁰.
	Rozpad mionu μ⁻ → e⁻ + ν_e + ν_μ
	Beta rozpad neutronu n → p⁺ + e⁻ + ν_e
	Dvojný beta rozpad Hypotetická reakce současného rozpadu dvou neutronů v jádře bez produkce neutrin. Tato reakce by byla možná jen pokud je anineutrino totožné s neutrinem. Reakci hledá například experiment GERDA v Gran Sasso.
	Rozpad lambda hyperonu Λ → p⁺ + e⁻ + ν_e
	Rozpady pionů π⁺, π⁻Pozorovány v produktech interakce kosmického záření s horními vrstvami atmosféry. Vedou na e⁺, e⁻, μ⁺, μ⁻ a elektronová a mionová neutrina.
	Objev částic W^±. CERN (1983). Proton antiprotonový svazek. Každý svazek měl energii 270 GeV. Objev nabitých proudů.
	Objev částice Z⁰ CERN (1984). Urychlovač SPS, později LEP, neutrální toky. Oba objevy: Carlo Rubbia, Simon van der Meer.