СЛА́БОЕ ВЗАИМОДЕ́ЙСТВИЕ

СЛА́БОЕ ВЗАИМОДЕ́ЙСТВИЕ, од­но из че­ты­рёх фун­да­мен­таль­ных взаи­мо­дей­ст­вий при­ро­ды, про­те­каю­щее на бо­лее ко­рот­ких рас­стоя­ни­ях и зна­чи­тель­но мед­лен­нее, чем др. фун­да­мен­таль­ные взаи­мо­дей­ст­вия. Так, про­цес­сы, обу­слов­лен­ные силь­ным взаи­мо­дей­ст­ви­ем, про­те­ка­ют за вре­мя ок. 10^–34 с, а С. в. – ок. 10^–10 с. С. в. яв­ля­ет­ся со­став­ной ча­стью совр. стан­дарт­ной мо­де­ли, опи­сы­ваю­щей силь­ные, элек­тро­маг­нит­ные и сла­бые взаи­мо­дей­ст­вия квар­ков и леп­то­нов как об­мен ка­либ­ро­воч­ны­ми бо­зо­на­ми (глюо­на­ми, фо­то­на­ми и $W^±$- и $Z$-бо­зо­на­ми со­от­вет­ст­вен­но).

При С. в. рас­па­ды тя­жё­лых леп­то­нов и квар­ков на лёг­кие про­ис­хо­дят за счёт об­ме­на $W^±$-бо­зо­на­ми. Рас­па­ды квар­ков при­во­дят как к сла­бым рас­па­дам ад­ро­нов и ядер (напр., бе­та-рас­пад ней­тро­на $n→p+e^-+\bar v_e$, где $n$ – ней­трон, $p$ – про­тон, $e^-$ – элек­трон, $\bar ν_e$ – элек­трон­ное ан­ти­ней­три­но), так и к ре­ак­ци­ям син­те­за, обу­слов­ли­ваю­щим тер­мо­ядер­ное го­ре­ние звёзд (напр., ре­ак­ция во­до­род­но­го цик­ла $p+p→D+e^++ν_e$, где $D$ – дей­трон, $e^+$ – по­зи­трон, $ν_e$ – эле­кт­ро­н­ное ней­три­но). $W^±$- и $Z$-бо­зо­ны – очень тя­жё­лые эле­мен­тар­ные час­ти­цы, их мас­сы близ­ки к 80 и 90 ГэВ со­от­вет­ст­вен­но. Та­кая боль­шая мас­са обу­слов­ли­ва­ет ма­лое вре­мя их жиз­ни, рав­ное 10^–24 с, и объ­яс­ня­ет сла­бость пе­ре­но­симо­го ими взаи­мо­дей­ст­вия квар­ков и леп­то­нов.

Вре­мя жиз­ни эле­мен­тар­ных час­тиц, рас­па­даю­щих­ся за счёт С. в., из­ме­ня­ет­ся в ши­ро­ком диа­па­зо­не: от 900 с (вре­мя жиз­ни сво­бод­но­го ней­тро­на) до при­мер­но 10^–12 с (вре­мя жиз­ни ад­ро­нов, в со­став ко­то­рых вхо­дят $c$- или $b$-квар­ки). Это го­раз­до боль­ше вре­ме­ни жиз­ни эле­мен­тар­ных час­тиц, рас­па­даю­щих­ся за счёт силь­но­го или элек­тро­маг­нит­но­го взаи­мо­дей­ст­вий. Др. при­мер сла­бо­сти взаи­мо­дей­ст­вия – ко­рот­ко­дей­ст­вие и, сле­до­ва­тель­но, боль­шие про­бе­ги час­тиц в ве­ще­ст­ве. Ней­три­но, уча­ст­вую­щие толь­ко в С. в., ро­ж­да­ясь в яд­ре Солн­ца, вы­хо­дят из Солн­ца, не из­ме­няя за счёт рас­сея­ния сво­ей пря­мо­ли­ней­ной тра­ек­то­рии. Бо­лее то­го, ха­рак­тер­ная дли­на про­бе­га сол­неч­ных ней­три­но в ве­ще­ст­ве Солн­ца – по­ряд­ка 10⁹ диа­мет­ров Солн­ца. Ха­рак­тер­ные дли­ны про­бе­га час­тиц в ве­ще­ст­ве при силь­ном взаи­мо­дей­ст­вии – де­сят­ки сан­ти­мет­ров.

Не­смот­ря на ма­лую ве­ли­чи­ну, роль С. в. в фи­зи­ке эле­мен­тар­ных час­тиц ве­ли­ка, с ни­ми свя­за­ны мн. фун­дам. от­кры­тия. В 1956–57 бы­ло ус­та­нов­ле­но, что в от­ли­чие от силь­ных и элек­тро­маг­нит­ных взаи­мо­дей­ст­вий в С. в. на­ру­ша­ет­ся ин­ва­ри­ант­ность от­но­си­тель­но от­ра­же­ния про­стран­ст­вен­ных ко­ор­ди­нат $\boldsymbol x \rightarrow \boldsymbol x$ ($P$-чёт­ность) и за­ме­ны час­тиц на ан­ти­час­ти­цы ($C$-чёт­ность). Позд­нее (1964) ока­за­лось, что С. в. не ин­ва­ри­ант­ны так­же от­но­си­тель­но ком­би­ни­ро­ван­ной чёт­но­сти ($CP$-чёт­но­сти) и от­но­си­тель­но об­ра­ще­ния вре­ме­ни $t→t$.

В пер­вой тео­рии С. в., пред­ло­жен­ной Э. Фер­ми в 1934, сла­бость взаи­мо­дей­ст­вия объ­яс­ня­лась ма­лой кон­стан­той свя­зи $G_F≈10^{–5}/m_p^2$ ($m_p$ – мас­са про­то­на). В тео­рии, соз­дан­ной в 1960-х гг. Ш. Глэ­шоу, С. Вайн­бер­гом и А. Са­ла­мом (ГВС-тео­рия), ма­лость $G_F$ объ­яс­ня­ет­ся тем, что она об­рат­но про­пор­цио­наль­на квад­ра­ту мас­сы тя­жё­ло­го W-бо­зо­на: $G_F∼g^2/M^2_W$;10⁵/ГэВ², где $g$ – ка­либ­ро­воч­ная кон­стан­та свя­зи сла­бых взаи­мо­дей­ст­вий. ГВС-тео­рия ос­но­ва­на на ка­либ­ро­воч­ной $SU(2)×U(1)$-сим­мет­рии. Три ка­либ­ро­воч­ных по­ля $A_μ^i$, $i=1,2,3$, от­ве­ча­ют груп­пе $SU(2)$, а од­но ка­либ­ро­воч­ное по­ле $B_μ$ – груп­пе $U(1)$.

ГВС-тео­рия опи­сы­ва­ет как сла­бые, так и элек­тро­маг­нит­ные взаи­мо­дей­ст­вия и по­это­му на­зы­ва­ет­ся тео­ри­ей элек­тро­сла­бо­го взаи­мо­дей­ст­вия. По­ля фо­то­на и Z-бо­зо­на яв­ля­ют­ся ли­ней­ны­ми су­пер­по­зи­ция­ми за­тра­воч­ных без­мас­со­вых по­лей $A_μ^3$ и $B_μ$. Об­ме­ны Z-бо­зо­на­ми при­во­дят к ней­траль­ным то­кам, от­кры­тым в 1973 в ЦЕРН при изу­че­нии рас­сея­ния мю­он­ных ней­три­но на яд­рах, что под­твер­ди­ло спра­вед­ли­вость ГВС-тео­рии. То­ки, воз­ни­каю­щие при об­ме­не фо­то­ном, так­же яв­ля­ют­ся ней­траль­ны­ми. По­ля $W±$-бо­зо­нов, вы­ра­жен­ные че­рез за­тра­воч­ные по­ля, име­ют сле­дую­щий вид: $W_μ^±=(A_μ^1±iA_μ^2)/\sqrt{2}$. Об­мен $W^{\pm}$-бо­зо­на­ми при­во­дит к за­ря­жен­ным то­кам.

По­строе­ние совр. са­мо­со­гла­со­ван­ной тео­рии С. в. ока­за­лось воз­мож­ным бла­го­да­ря при­да­нию масс квар­кам, леп­то­нам и $W^±$- и Z-бо­зо­нам с по­мо­щью т. н. ме­ха­низ­ма Хигг­са. При этом по тео­рии долж­на воз­ник­нуть но­вая ней­траль­ная эле­мен­тар­ная час­ти­ца – Хигг­са бо­зон, ко­то­рая бы­ла от­кры­та в 2012 на Боль­шом ад­рон­ном кол­лай­де­ре (ЦЕРН) и так­же ока­за­лась очень тя­жё­лой – её мас­са в пол­то­ра раза боль­ше мас­сы W-бо­зо­на: M_H=125 ГэВ.

На­ру­ше­ние $P$-чёт­но­сти свя­за­но с тем, что леп­то­ны и квар­ки, по­ля­ри­зо­ван­ные по им­пуль­су и про­тив, вклю­ча­ют­ся в ГВС-тео­рию по-раз­но­му. Леп­то­ны и квар­ки, по­ля­ри­зо­ван­ные про­тив им­пуль­са, яв­ля­ют­ся ком­по­нен­та­ми дуб­ле­тов по груп­пе $SU(2)$, а по­ля­ри­зо­ван­ные по им­пуль­су – синг­ле­та­ми, ин­ва­ри­ант­ны­ми от­но­си­тель­но $SU(2)$-пре­об­ра­зо­ва­ний. На­ру­ше­ние $CP$-чёт­но­сти ме­нее три­ви­аль­но: для не­го тре­бу­ет­ся на­ли­чие как ми­ни­мум 3 по­ко­ле­ний квар­ков, ко­то­рые как раз и су­ще­ст­ву­ют в при­ро­де: ($u$, $d$), ($c$, $s$) и ($t$, $b$). Квар­ко­вый со­став про­то­на – ($uud$), ней­тро­на – ($udd$). Час­ти­цы, со­дер­жа­щие $s-$, $c-$ и $b-$квар­ки, най­ден­ные в кос­мич. лу­чах и в экс­пе­ри­мен­тах на ус­ко­ри­те­лях, рас­па­да­ют­ся в осн. за счёт С. в., по­это­му в ок­ру­жаю­щем нас ве­ще­ст­ве их нет. Са­мая тя­жё­лая эле­мен­тар­ная час­ти­ца – $t$-кварк с мас­сой 172 ГэВ – рас­па­да­ет­ся так бы­ст­ро, что со­дер­жа­щие его час­ти­цы не ус­пе­ва­ют сфор­ми­ро­вать­ся.

Но­вые тео­ре­тич. рас­ши­ре­ния стан­дарт­ной мо­де­ли пред­ска­зы­ва­ют су­ще­ст­во­ва­ние ней­траль­ных и за­ря­жен­ных ана­ло­гов бо­зо­на Хигг­са. Наи­боль­ший ин­те­рес пред­став­ля­ет тео­рия су­пер­сим­мет­рии, пред­ска­зы­ваю­щая боль­шое ко­ли­че­ст­во но­вых эле­мен­тар­ных час­тиц.