OBSAH Elektromagnetická interakce Interakce Silná interakce

SLABÁ INTERAKCE

Na této stránce naleznete:
      Základní informace
 Trocha historie
 Feynmanovy diagramy
 Typické slabé procesy
Silná interakce


Základní informace

Působení výběrové, na Qf ≠ 0 (leptony a kvarky)
Dosah konečný, 10–18 m
Symetrie SU(2)
IM částice IM vektorové bosony W+, W, Z0 
  • Působení interakce: Slabá interakce je výběrová interakce. Působí jen na levotočivé částice s nenulovou vůní (flavour). Vůně je náboj (Qf) slabé interakce, mají ji leptony a kvarky, existuje celkem 12 vůní (e, νe, μ, νμ, τ, ντ, d, u, s, c, b, t). 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. Slabá interakce nerozpozná barvu kvarků.
  • Dosah interakce: Konečný, interakce slabá má krátký dosah, cca 10–18 m. Polní částice slabé interakce mají nenulovou hmotnost (W± mají hmotnost 80 GeV a Z0 má hmotnost 91 GeV).
  • Symetrie interakce: Interakce slabá nerozpozná od sebe vůni částic uzavřených v závorce, například elektron se svým neutrinem (e, νe). Tyto částice mají pro slabou interakci jednu jedinou vůni. Slabá interakce od sebe samozřejmě „pozná“ částice z různých dubletů (závorek) – ty mají pro slabou interakci různou vůni, tedy různý slabý náboj. Obdobně slabá interakce nerozliší vůni kvarku down a kvarku up (d, u) nebo dvojice vůní (s, c) či (b, t). Samozřejmě při jiných interakcích (například elektromagnetické) lze členy těchto dvojic snadno odlišit. Symetrii nazýváme SU(2), což je anglická zkratka pro Special Unitary – v matematice je popsána komplexními maticemi 2×2 (přehazují mezi sebou 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).
  • Intermediální 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 intermediální 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.


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 intermediální částice.

V roce 1956 byly pozorovány slabé rozpady K+ mezonů, které nezachovávaly pravolevou symetrii. Tento závažný fakt byl ověřen laboratorním experimentem s β rozpadem kobaltu Co 60 v roce 1957 (experiment navrhli Tsung D. LeeChen N. Yang a provedla ho Chien-Shiung Wu z Kolumbijské university). Tak bylo poprvé přímo detekováno narušení P symetrie. V roce 1964 (James W. Cronin, Val L. Fitch, NC 1980) byly pozorovány rozpady levotočivého K0L mezonu na piony π+ a π, které sice málo, ale přece jen narušují i CP symetrii. Veškeré tyto experimenty znamenaly první poznávání zákonů slabé interakce.

První poznání slabé interakce
C.S. Wu V. L. Fitch J. W. Cronin
C. S. Wu
(1912–1997)
V. L. Fitch
(1923)
J. W. Cronin
(1931)

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 intermediálních vektorových bosonů W+, W, Z0. Tyto částice teoreticky předpověděli S. Weinberg, A. SalamS. L. Glashow, kteří jsou autory jednotné teorie elektromagnetické a slabé interakce (elektroslabé interakce). Za tuto práci obdrželi Nobelovu cenu v roce 1979. Částice objevil v Evropském středisku jaderného výzkumu CERN C. Rubbia na přelomu roku 1983 a 1984. Za jejich objev obdržel Nobelovu cenu spolu s konstruktérem zařízení S. van der Meerem v roce 1984. Detaily naleznete na stránce věnované elektroslabému sjednocení. 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)


Feynmanovy diagramy

Základní diagramy se skládají z leptonové či kvarkové linie, vrcholu a linie intermediální 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

Základní diagramy

Vhodnou deformací těchto tří základních diagramů již v prvním řádu dostáváme 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:

Feynmanovy diagramy


Typické slabé procesy

Coulombův zákon Coulombův zákon. Druhý kanál reakce je oprava k elektrodynamice způsobená slabou interakcí. Elektron s elektronem interagují také slabě pomocí částice Z0.
Rozpad mionu Rozpad mionu
μ → e + νe + νμ 
Beta rozpad Beta rozpad neutronu. 
n → p+ + eνe
Rozpad lambda hyperonu Slabý rozpad Λ hyperonu. 
Λ → p+ + eνe 
Rozpad pionu Rozpad π+ a π mezonů: Pozorován v produktech interakce kosmického záření s horními vrstvami atmosféry. Vede na e+, e, μ+, μ a elektronová a mionová neutrina.
Objev částioce W Objev částic W+/−. CERN (1983). Proton antiprotonový svazek. Každý svazek měl energii 270 GeV. Nabité proudy.
Objev částice Z Objev částice Z0. CERN (1984). Zařízení SPS, později LEP, neutrální toky. Oba objevy: Carlo Rubbia, Simon van der Meer.

OBSAH Elektromagnetická interakce Interakce Silná interakce