სუსტი ძალა ოთხი ფუნდამენტური ძალიდან ერთ-ერთია. ძლიერი და სუსტი ურთიერთქმედება

სუსტი ძალა, ანუ სუსტი ბირთვული ძალა, ბუნების ოთხი ფუნდამენტური ძალიდან ერთ-ერთია. ის პასუხისმგებელია, კერძოდ, ბირთვის ბეტა დაშლაზე. ამ ურთიერთქმედებას სუსტი ეწოდება, ვინაიდან დანარჩენი ორი ურთიერთქმედება, რომლებიც მნიშვნელოვანია ბირთვული ფიზიკისთვის (ძლიერი და ელექტრომაგნიტური) ხასიათდება გაცილებით დიდი ინტენსივობით. თუმცა, ის ბევრად უფრო ძლიერია, ვიდრე ფუნდამენტური ურთიერთქმედების მეოთხე, გრავიტაციული. სუსტი ურთიერთქმედების ძალა არ არის საკმარისი იმისათვის, რომ ნაწილაკები ერთმანეთთან ახლოს იყოს (ანუ შეკრული მდგომარეობების შესაქმნელად). მას შეუძლია გამოვლინდეს მხოლოდ ნაწილაკების დაშლისა და ურთიერთგარდაქმნების დროს.

სუსტი ურთიერთქმედება მოკლე დიაპაზონია - ის ვლინდება ატომის ბირთვის ზომაზე საგრძნობლად მცირე დისტანციებზე (მახასიათებელი ურთიერთქმედების რადიუსი არის 2·10?18 მ).

სუსტი ურთიერთქმედების მატარებლები არიან ვექტორული ბოზონები და. ამ შემთხვევაში განასხვავებენ ეგრეთ წოდებული დამუხტული სუსტი დენების და ნეიტრალური სუსტი დენების ურთიერთქმედებას. დამუხტული დენების ურთიერთქმედება (დამუხტული ბოზონების მონაწილეობით) იწვევს ნაწილაკების მუხტების ცვლილებას და ზოგიერთი ლეპტონისა და კვარკის სხვა ლეპტონებად და კვარკებად გარდაქმნას. ნეიტრალური დენების ურთიერთქმედება (ნეიტრალური ბოზონის მონაწილეობით) არ ცვლის ნაწილაკების მუხტს და ლეპტონებსა და კვარკებს ერთსა და იმავე ნაწილაკებად გარდაქმნის.

პირველად სუსტი ურთიერთქმედება დაფიქსირდა ატომის ბირთვების β-დაშლის დროს. და, როგორც გაირკვა, ეს დაშლა დაკავშირებულია ბირთვში პროტონის ნეიტრონად გადაქცევასთან და პირიქით:

p > n + e+ + ne, n > p + e- + e,

სადაც n არის ნეიტრონი, p არის პროტონი, e- არის ელექტრონი, n?e არის ელექტრონული ანტინეიტრინო.

ელემენტარული ნაწილაკები ჩვეულებრივ იყოფა სამ ჯგუფად:

1) ფოტონები; ეს ჯგუფი შედგება მხოლოდ ერთი ნაწილაკისგან - ფოტონი - ელექტრომაგნიტური გამოსხივების კვანტი;

2) ლეპტონები (ბერძნულიდან "ლეპტოს" - სინათლე), რომლებიც მონაწილეობენ მხოლოდ ელექტრომაგნიტურ და სუსტ ურთიერთქმედებებში. ლეპტონებს მიეკუთვნება ელექტრონი და მუონური ნეიტრინო, ელექტრონი, მიონი და მძიმე ლეპტონი, რომელიც აღმოჩენილ იქნა 1975 წელს - ლეპტონი, ანუ ტაონი, დაახლოებით 3487 მეი მასით, ისევე როგორც მათ შესაბამის ანტინაწილაკებს. ლეპტონების სახელწოდება გამოწვეულია იმით, რომ პირველი ცნობილი ლეპტონების მასები ყველა სხვა ნაწილაკების მასაზე მცირე იყო. ლეპტონებში შედის აგრეთვე საიდუმლო ნეიტრინო, რომლის არსებობაც ასევე ცოტა ხნის წინ დადასტურდა;

3) ჰადრონები (ბერძნული „ადროსიდან“ - დიდი, ძლიერი). ჰადრონებს აქვთ ძლიერი ურთიერთქმედება ელექტრომაგნიტურ და სუსტებთან ერთად. ზემოთ განხილული ნაწილაკებიდან მათ შორისაა პროტონი, ნეიტრონი, პიონები და კაონები.

სუსტი ურთიერთქმედების თვისებები

სუსტ ურთიერთქმედებას აქვს გამორჩეული თვისებები:

1. სუსტ ურთიერთქმედებაში მონაწილეობს ყველა ფუნდამენტური ფერმიონი (ლეპტონი და კვარკი). ფერმიონები (იტალიელი ფიზიკოსის ე. ფერმის სახელიდან) არის ელემენტარული ნაწილაკები, ატომის ბირთვები, ატომები საკუთარი კუთხური იმპულსის ნახევარმთლიანი მნიშვნელობით. ფერმიონების მაგალითები: კვარკები (ისინი ქმნიან პროტონებს და ნეიტრონებს, რომლებიც ასევე ფერმიონებია), ლეპტონები (ელექტრონები, მიონები, ტაუ ლეპტონები, ნეიტრინოები). ეს არის ერთადერთი ურთიერთქმედება, რომელშიც ნეიტრინოები მონაწილეობენ (გრავიტაციის გარდა, რაც უმნიშვნელოა ლაბორატორიულ პირობებში), რაც ხსნის ამ ნაწილაკების კოლოსალურ შეღწევადობას. სუსტი ურთიერთქმედება ლეპტონებს, კვარკებს და მათ ანტინაწილაკებს საშუალებას აძლევს გაცვალონ ენერგია, მასა, ელექტრული მუხტი და კვანტური რიცხვები - ანუ გადაიქცნენ ერთმანეთში.

2. სუსტმა ურთიერთქმედებამ მიიღო სახელი იმის გამო, რომ მისი დამახასიათებელი ინტენსივობა ელექტრომაგნიტიზმისაზე გაცილებით დაბალია. ელემენტარული ნაწილაკების ფიზიკაში, ურთიერთქმედების ინტენსივობა ჩვეულებრივ ხასიათდება ამ ურთიერთქმედებით გამოწვეული პროცესების სიჩქარით. რაც უფრო სწრაფად მიმდინარეობს პროცესები, მით უფრო მაღალია ურთიერთქმედების ინტენსივობა. 1 გევ რიგის ურთიერთმოქმედი ნაწილაკების ენერგიების დროს სუსტი ურთიერთქმედებით გამოწვეული პროცესების დამახასიათებელი სიჩქარეა დაახლოებით 10×10 წმ, რაც დაახლოებით 11 ბრძანებით მეტია, ვიდრე ელექტრომაგნიტური პროცესებისთვის, ანუ სუსტი პროცესები უკიდურესად ნელი პროცესებია. .

3. ურთიერთქმედების ინტენსივობის კიდევ ერთი მახასიათებელია ნივთიერებაში ნაწილაკების საშუალო თავისუფალი გზა. ასე რომ, ძლიერი ურთიერთქმედების გამო მფრინავი ჰადრონის შესაჩერებლად საჭიროა რამდენიმე სანტიმეტრის სისქის რკინის ფირფიტა. ამავდროულად, ნეიტრინოს, რომელიც მონაწილეობს მხოლოდ სუსტ ურთიერთქმედებებში, შეუძლია გაფრინდეს მილიარდობით კილომეტრის სისქის ფირფიტაში.

4. სუსტ ურთიერთქმედებას აქვს მოქმედების ძალიან მცირე დიაპაზონი - დაახლოებით 2·10-18 მ (ეს დაახლოებით 1000-ჯერ ნაკლებია ბირთვის ზომაზე). სწორედ ამ მიზეზით, მიუხედავად იმისა, რომ სუსტი ურთიერთქმედება ბევრად უფრო ინტენსიურია, ვიდრე გრავიტაციული ურთიერთქმედება, რომლის რადიუსი შეზღუდული არ არის, ის შესამჩნევად ნაკლებ როლს ასრულებს. მაგალითად, 10-10 მ მანძილზე მდებარე ბირთვებისთვისაც კი, სუსტი ურთიერთქმედება უფრო სუსტია არა მხოლოდ ელექტრომაგნიტური, არამედ გრავიტაციული.

5. სუსტი პროცესების ინტენსივობა ძლიერ არის დამოკიდებული ურთიერთმოქმედი ნაწილაკების ენერგიაზე. რაც უფრო მაღალია ენერგია, მით უფრო მაღალია ინტენსივობა. მაგალითად, სუსტი ურთიერთქმედების გამო, ნეიტრონი, რომლის დასვენების ენერგია დაახლოებით 1 გევ-ია, იშლება დაახლოებით 103 წმ-ში, ხოლო L ჰიპერონი, რომლის მასა ასჯერ მეტია, იშლება 10-10 წამში. იგივე ეხება ენერგიულ ნეიტრინოებს: 100 გევ ენერგიის მქონე ნეიტრინოს ნუკლეონთან ურთიერთქმედების ჯვარი 6 რიგით მეტია, ვიდრე ნეიტრინოს, რომლის ენერგია დაახლოებით 1 მევ-ია. თუმცა, რამდენიმე ასეული გევ-ს რიგის ენერგიების დროს (შეჯახებული ნაწილაკების მასის ცენტრის ფარგლებში), სუსტი ურთიერთქმედების ინტენსივობა შედარებადი ხდება ელექტრომაგნიტური ურთიერთქმედების ენერგიასთან, რის შედეგადაც ისინი შეიძლება იყოს აღწერილია ერთიანი სახით, როგორც ელექტროსუსტი ურთიერთქმედება. ნაწილაკების ფიზიკაში ელექტროსუსტი ძალა არის ოთხი ფუნდამენტური ძალიდან ორის ზოგადი აღწერა: სუსტი ძალისა და ელექტრომაგნიტური ძალის. მიუხედავად იმისა, რომ ეს ორი ურთიერთქმედება ძალიან განსხვავებულია ჩვეულებრივ დაბალ ენერგიებში, თეორიულად ისინი ერთი და იგივე ძალის ორი განსხვავებული გამოვლინებაა. გაერთიანების ენერგიაზე (დაახლოებით 100 გევ) აღემატება ენერგიებში, ისინი გაერთიანდებიან ერთ ელექტროსუსტ ურთიერთქმედებაში. ელექტროსუსტი ურთიერთქმედება არის ურთიერთქმედება, რომელშიც მონაწილეობენ კვარკები და ლეპტონები, რომლებიც ასხივებენ და შთანთქავენ ფოტონებს ან მძიმე შუალედურ ვექტორულ ბოზონებს W+, W-, Z0. ე.ვ. აღწერილია ლიანდაგის თეორიით სპონტანურად გატეხილი სიმეტრიით.

6. სუსტი ურთიერთქმედება ერთადერთი ფუნდამენტური ურთიერთქმედებაა, რომლისთვისაც პარიტეტის შენარჩუნების კანონი არ არის დაკმაყოფილებული, ეს ნიშნავს, რომ კანონები, რომლებსაც სუსტი პროცესები ემორჩილებიან, იცვლება, როდესაც სისტემა ასახულია. პარიტეტის შენარჩუნების კანონის დარღვევა იწვევს იმ ფაქტს, რომ ექვემდებარება მხოლოდ მარცხენა ნაწილაკებს (რომელთა ბრუნი მიმართულია იმპულსის საპირისპიროდ), მაგრამ არა მემარჯვენეები (რომელთა ბრუნი იმავე მიმართულებით არის, როგორც იმპულსი). სუსტი ურთიერთქმედებისკენ და პირიქით: მემარჯვენე ანტინაწილაკები სუსტად ურთიერთქმედებენ, მაგრამ მემარცხენეები ინერტულია.

P სივრცითი ინვერსიის მოქმედება არის ტრანსფორმაცია

x, y, z, -x, -y, -z, -, .

ოპერაცია P ცვლის ნებისმიერი პოლარული ვექტორის ნიშანს

სივრცითი ინვერსიის მოქმედება გარდაქმნის სისტემას სარკის სიმეტრიულად. სარკის სიმეტრია შეინიშნება ძლიერი და ელექტრომაგნიტური ურთიერთქმედების გავლენის ქვეშ მყოფ პროცესებში. სარკისებური სიმეტრია ამ პროცესებში ნიშნავს, რომ სარკე-სიმეტრიულ მდგომარეობებში გადასვლები რეალიზდება იგივე ალბათობით.

1957? იან ჟენნინგმა, ლი ზონგდაომ მიიღო ნობელის პრემია ფიზიკაში. ეგრეთ წოდებული პარიტეტული კანონების სიღრმისეული შესწავლისთვის, რამაც გამოიწვია მნიშვნელოვანი აღმოჩენები ელემენტარული ნაწილაკების სფეროში.

7. სივრცითი პარიტეტის გარდა, სუსტი ურთიერთქმედება ასევე არ ინახავს კომბინირებულ სივრცე-მუხტის პარიტეტს, ანუ ერთადერთი ცნობილი ურთიერთქმედება არღვევს CP ინვარიანტობის პრინციპს.

მუხტის სიმეტრია ნიშნავს, რომ თუ არის რაიმე პროცესი, რომელიც მოიცავს ნაწილაკებს, მაშინ როდესაც ისინი ჩანაცვლდება ანტინაწილაკებით (მუხტის კონიუგაცია), პროცესიც არსებობს და ხდება იგივე ალბათობით. მუხტის სიმეტრია არ არსებობს პროცესებში, რომლებიც მოიცავს ნეიტრინოებს და ანტინეიტრინოებს. ბუნებაში არსებობს მხოლოდ მარცხენა და მემარჯვენე ანტინეიტრინოები. თუ თითოეულ ამ ნაწილაკს (განსაზღვრობისთვის განვიხილავთ ელექტრონი ნეიტრინო n და ანტინეიტრინო e) დაექვემდებაროს მუხტის კონიუგაციის მოქმედებას, მაშინ ისინი გადაიქცევიან არარსებულ ობიექტებად ლეპტონური რიცხვებითა და სპირალით.

ამრიგად, სუსტი ურთიერთქმედებისას P- და C-ინვარიანტობა ერთდროულად ირღვევა. თუმცა, რა მოხდება, თუ ორი ზედიზედ ოპერაცია შესრულდება ნეიტრინოზე (ანტინეიტრინო)? P- და C_ტრანსფორმაციები (ოპერაციების თანმიმდევრობა არ არის მნიშვნელოვანი), შემდეგ კვლავ ვიღებთ ბუნებაში არსებულ ნეიტრინოებს. ოპერაციების თანმიმდევრობას და (ან საპირისპირო თანმიმდევრობით) ეწოდება CP ტრანსფორმაცია. CP_ტრანსფორმაციის (კომბინირებული ინვერსიის) არა და e შედეგი შემდეგია:

ამრიგად, ნეიტრინოსთვის და ანტინეიტრინოსთვის, ოპერაცია, რომელიც ნაწილაკს ანტინაწილაკად გარდაქმნის, არის არა მუხტის კონიუგაციის ოპერაცია, არამედ CP ტრანსფორმაცია.

სუსტი ურთიერთქმედება

ფიზიკა ნელა მოძრაობს სუსტი ურთიერთქმედების არსებობის დადგენისკენ. სუსტი ძალა პასუხისმგებელია ნაწილაკების დაშლაზე; და ამიტომ მისი გამოვლინება დაუპირისპირდა რადიოაქტიურობის აღმოჩენას და ბეტა დაშლის შესწავლას.

ბეტა დაშლამ გამოავლინა უკიდურესად უცნაური თვისება. კვლევამ მიიყვანა დასკვნამდე, რომ ეს დაშლა, როგორც ჩანს, არღვევდა ფიზიკის ერთ-ერთ ფუნდამენტურ კანონს - ენერგიის შენარჩუნების კანონს. ეტყობოდა, რომ ენერგიის ნაწილი სადღაც ქრება. ენერგიის შენარჩუნების კანონის „გადასარჩენად“ ვ. პაული ვარაუდობს, რომ ბეტა დაშლის დროს ელექტრონთან ერთად სხვა ნაწილაკი გაფრინდება და თან წაიღებს დაკარგული ენერგიას. ის არის ნეიტრალური და აქვს უჩვეულოდ მაღალი შეღწევადობის უნარი, რის შედეგადაც მისი დაკვირვება შეუძლებელია. ე.ფერმიმ უხილავ ნაწილაკს "ნეიტრინო" უწოდა.

მაგრამ ნეიტრინოების პროგნოზირება პრობლემის მხოლოდ დასაწყისია, მისი ფორმულირება. საჭირო იყო ნეიტრინოების ბუნების ახსნა, მაგრამ აქ ბევრი საიდუმლო დარჩა. ფაქტია, რომ ელექტრონები და ნეიტრინოები გამოიცა არასტაბილური ბირთვებით. მაგრამ უდავოდ დადასტურდა, რომ ბირთვების შიგნით ასეთი ნაწილაკები არ არსებობს. მათი წარმოშობის შესახებ, ვარაუდობდნენ, რომ ელექტრონები და ნეიტრინოები არ არსებობს ბირთვში "მზა ფორმით", მაგრამ როგორღაც წარმოიქმნება რადიოაქტიური ბირთვის ენერგიისგან. შემდგომმა კვლევამ აჩვენა, რომ ბირთვში შემავალი ნეიტრონები, რომლებიც საკუთარ თავს ტოვებენ, რამდენიმე წუთის შემდეგ იშლება პროტონად, ელექტრონად და ნეიტრინოდ, ე.ი. ერთი ნაწილაკის ნაცვლად ჩნდება სამი ახალი. ანალიზმა მიგვიყვანა დასკვნამდე, რომ ცნობილი ძალები ვერ გამოიწვევდნენ ასეთ დაშლას. ის აშკარად შეიქმნა სხვა, უცნობი ძალის მიერ. კვლევამ აჩვენა, რომ ეს ძალა შეესაბამება გარკვეულ სუსტ ურთიერთქმედებას.

სუსტი ურთიერთქმედება მნიშვნელოვნად უფრო მცირეა, ვიდრე ყველა ურთიერთქმედება, გარდა გრავიტაციული ურთიერთქმედებისა, და სისტემებში, სადაც ის იმყოფება, მისი ეფექტები დაჩრდილულია ელექტრომაგნიტური და ძლიერი ურთიერთქმედებით. გარდა ამისა, სუსტი ურთიერთქმედება ძალიან მცირე დისტანციებზე ვრცელდება. სუსტი ურთიერთქმედების რადიუსი ძალიან მცირეა. სუსტი ურთიერთქმედება ჩერდება წყაროდან 10-16 სმ-ზე მეტ მანძილზე და, შესაბამისად, მას არ შეუძლია გავლენა მოახდინოს მაკროსკოპულ ობიექტებზე, მაგრამ შემოიფარგლება მიკროკოსმოსით, სუბატომური ნაწილაკებით. როდესაც დაიწყო მრავალი არასტაბილური სუბბირთვული ნაწილაკების ზვავის მსგავსი აღმოჩენა, გაირკვა, რომ მათი უმრავლესობა მონაწილეობს სუსტ ურთიერთქმედებებში.

ძლიერი ურთიერთქმედება

ფუნდამენტური ურთიერთქმედებების სერიაში ბოლო არის ძლიერი ურთიერთქმედება, რომელიც უზარმაზარი ენერგიის წყაროა. ძლიერი ურთიერთქმედების შედეგად გამოთავისუფლებული ენერგიის ყველაზე ტიპიური მაგალითია მზე. მზისა და ვარსკვლავების სიღრმეში მუდმივად ხდება თერმობირთვული რეაქციები, რომლებიც გამოწვეულია ძლიერი ურთიერთქმედებით. მაგრამ ადამიანმა ასევე ისწავლა ძლიერი ურთიერთქმედების გათავისუფლება: შეიქმნა წყალბადის ბომბი, შეიქმნა და გაუმჯობესდა კონტროლირებადი თერმობირთვული რეაქციების ტექნოლოგიები.

ფიზიკა ატომის ბირთვის სტრუქტურის შესწავლის დროს ძლიერი ურთიერთქმედების არსებობის იდეამდე მივიდა. რაღაც ძალამ უნდა შეინარჩუნოს დადებითად დამუხტული პროტონები ბირთვში, რაც ხელს უშლის მათ გაფრენას ელექტროსტატიკური მოგერიების გავლენის ქვეშ. გრავიტაცია ძალიან სუსტია ამის უზრუნველსაყოფად; ცხადია, საჭიროა რაიმე სახის ურთიერთქმედება, უფრო მეტიც, უფრო ძლიერი ვიდრე ელექტრომაგნიტური. შემდგომში აღმოაჩინეს. აღმოჩნდა, რომ მიუხედავად იმისა, რომ ძლიერი ურთიერთქმედება მნიშვნელოვნად აღემატება ყველა სხვა ფუნდამენტურ ურთიერთქმედებას თავისი სიდიდით, ის არ იგრძნობა ბირთვის გარეთ. როგორც სუსტი ურთიერთქმედების შემთხვევაში, ახალი ძალის მოქმედების რადიუსი ძალიან მცირე აღმოჩნდა: ძლიერი ურთიერთქმედება ვლინდება ბირთვის ზომით განსაზღვრულ მანძილზე, ე.ი. დაახლოებით 10-13 სმ. გარდა ამისა, აღმოჩნდა, რომ ყველა ნაწილაკი არ განიცდის ძლიერ ურთიერთქმედებას. ამრიგად, პროტონები და ნეიტრონები განიცდიან მას, მაგრამ ელექტრონები, ნეიტრინოები და ფოტონები მას არ ექვემდებარებიან. ჩვეულებრივ, მხოლოდ მძიმე ნაწილაკები მონაწილეობენ ძლიერ ურთიერთქმედებებში. ის პასუხისმგებელია ბირთვების წარმოქმნაზე და ელემენტარული ნაწილაკების მრავალ ურთიერთქმედებებზე.

ძლიერი ურთიერთქმედების ბუნების თეორიული ახსნა რთული იყო. გარღვევა მხოლოდ 60-იანი წლების დასაწყისში გამოჩნდა, როდესაც კვარკის მოდელი შემოგვთავაზეს. ამ თეორიაში ნეიტრონები და პროტონები განიხილება არა როგორც ელემენტარული ნაწილაკები, არამედ როგორც კვარკებისგან აგებული კომპოზიციური სისტემები.

ამრიგად, ფუნდამენტურ ფიზიკურ ურთიერთქმედებებში აშკარად ჩანს განსხვავება შორ და მოკლე დისტანციურ ძალებს შორის. ერთის მხრივ, შეუზღუდავი რადიუსის ურთიერთქმედება (სიმძიმე, ელექტრომაგნიტიზმი) და მეორეს მხრივ, მცირე რადიუსის (ძლიერი და სუსტი). ფიზიკური პროცესების სამყარო ვითარდება ამ ორი პოლარობის საზღვრებში და წარმოადგენს უკიდურესად მცირე და უკიდურესად დიდი - მოკლე მოქმედების ერთიანობას მიკროსამყაროში და შორ მანძილზე მოქმედების მთელ სამყაროში.

1896 წელს ფრანგმა მეცნიერმა ანრი ბეკერელმა აღმოაჩინა რადიოაქტიურობა ურანში. ეს იყო პირველი ექსპერიმენტული სიგნალი ბუნების მანამდე უცნობი ძალების - სუსტი ურთიერთქმედების შესახებ. ჩვენ ახლა ვიცით, რომ სუსტი ძალა დგას მრავალი ნაცნობი ფენომენის უკან - მაგალითად, ის მონაწილეობს ზოგიერთ თერმობირთვულ რეაქციაში, რომელიც მხარს უჭერს მზის და სხვა ვარსკვლავების გამოსხივებას.

სახელი "სუსტი" ეწოდა ამ ურთიერთქმედებას გაუგებრობის გამო - მაგალითად, პროტონისთვის ის 1033-ჯერ უფრო ძლიერია ვიდრე გრავიტაციული ურთიერთქმედება (იხ. გრავიტაცია, ბუნების ძალების ერთიანობა). ეს არის, უფრო სწორად, დესტრუქციული ურთიერთქმედება, ბუნების ერთადერთი ძალა, რომელიც არ იკავებს ნივთიერებას, არამედ მხოლოდ ანადგურებს მას. შეიძლება მას „არაპრინციპულიც“ ვუწოდოთ, რადგან განადგურებისას ის არ ითვალისწინებს სივრცითი თანასწორობისა და დროებითი შექცევადობის პრინციპებს, რომლებსაც აკვირდებიან სხვა ძალები.

სუსტი ურთიერთქმედების ძირითადი თვისებები ცნობილი გახდა ჯერ კიდევ 1930-იან წლებში, ძირითადად იტალიელი ფიზიკოსის ე.ფერმის ნაშრომის წყალობით. აღმოჩნდა, რომ გრავიტაციული და ელექტრული ძალებისგან განსხვავებით, სუსტ ძალებს მოქმედების ძალიან მოკლე დიაპაზონი აქვთ. იმ წლებში ჩანდა, რომ მოქმედების რადიუსი საერთოდ არ არსებობდა - ურთიერთქმედება სივრცის ერთ წერტილში ხდებოდა და, უფრო მეტიც, მყისიერად. ეს ურთიერთქმედება ვირტუალურად (მოკლე დროში) აქცევს ბირთვის თითოეულ პროტონს ნეიტრონად, პოზიტრონს პოზიტრონად და ნეიტრინოდ, ხოლო თითოეულ ნეიტრონს პროტონად, ელექტრონად და ანტინეიტრინოდ. სტაბილურ ბირთვებში (იხ. ატომის ბირთვი), ეს გარდაქმნები რჩება ვირტუალური, როგორიცაა ელექტრონ-პოზიტრონის წყვილების ან პროტონ-ანტიპროტონის წყვილების ვირტუალური შექმნა ვაკუუმში. თუ ბირთვების მასების სხვაობა, რომლებიც განსხვავდება ერთი მუხტით, საკმარისად დიდია, ეს ვირტუალური გარდაქმნები ხდება რეალური და ბირთვი ცვლის თავის მუხტს 1-ით, ასხივებს ელექტრონს და ანტინეიტრინოს (ელექტრონული β-დაშლა) ან პოზიტრონს და ა. ნეიტრინო (პოზიტრონის β-დაშლა). ნეიტრონებს აქვთ მასა, რომელიც დაახლოებით 1 მევ-ით აღემატება პროტონისა და ელექტრონის მასების ჯამს. ამრიგად, თავისუფალი ნეიტრონი იშლება პროტონად, ელექტრონად და ანტინეიტრინოდ, ათავისუფლებს ენერგიას დაახლოებით 1 მევ. თავისუფალი ნეიტრონის სიცოცხლე დაახლოებით 10 წუთია, თუმცა შეკრულ მდგომარეობაში, მაგალითად, დეიტერონში, რომელიც შედგება ნეიტრონისა და პროტონისგან, ეს ნაწილაკები განუსაზღვრელი ვადით ცხოვრობენ.

მსგავსი მოვლენა ხდება მიონთან (იხ. ლეპტონები) - ის იშლება ელექტრონად, ნეიტრინოდ და ანტინეიტრინოდ. დაშლამდე, მიონი ცხოვრობს დაახლოებით 10 -6 წმ - ბევრად ნაკლები ვიდრე ნეიტრონი. ფერმის თეორიამ ეს ახსნა ჩართული ნაწილაკების მასების სხვაობით. რაც უფრო მეტი ენერგია გამოიყოფა დაშლის დროს, მით უფრო სწრაფად მიდის ის. μ-დაშლის დროს ენერგიის გამოყოფა დაახლოებით 100 მევ-ია, დაახლოებით 100-ჯერ მეტი ვიდრე ნეიტრონების დაშლის დროს. ნაწილაკების სიცოცხლე უკუპროპორციულია ამ ენერგიის მეხუთე სიმძლავრისა.

როგორც ბოლო ათწლეულებში გაირკვა, სუსტი ურთიერთქმედება არალოკალურია, ანუ ის არ ხდება მყისიერად და არც ერთ მომენტში. თანამედროვე თეორიის თანახმად, სუსტი ურთიერთქმედება არ გადადის მყისიერად, მაგრამ ვირტუალური წყვილი ელექტრონი - ანტინეიტრინო იბადება 10 -26 წამის შემდეგ, რაც მიონი გარდაიქმნება ნეიტრინოდ და ეს ხდება 10 -16 სმ მანძილზე , რა თქმა უნდა, არც ერთ მიკროსკოპს არ შეუძლია გაზომოს ასეთი მცირე მანძილი, ისევე როგორც ვერც ერთი წამზომი ვერ გაზომავს დროის ასეთ მცირე ინტერვალს. როგორც თითქმის ყოველთვის ხდება, თანამედროვე ფიზიკაში ჩვენ უნდა დავკმაყოფილდეთ არაპირდაპირი მონაცემებით. ფიზიკოსები ქმნიან სხვადასხვა ჰიპოთეზას პროცესის მექანიზმის შესახებ და ამოწმებენ ამ ჰიპოთეზის ყველა სახის შედეგებს. ის ჰიპოთეზები, რომლებიც ეწინააღმდეგება მინიმუმ ერთ სანდო ექსპერიმენტს, უგულებელყოფილია და ახალი ექსპერიმენტები ტარდება დარჩენილი ექსპერიმენტების შესამოწმებლად. ეს პროცესი, სუსტი ურთიერთქმედების შემთხვევაში, გაგრძელდა დაახლოებით 40 წლის განმავლობაში, სანამ ფიზიკოსები არ დარწმუნდნენ, რომ სუსტი ურთიერთქმედება სუპერმასიური ნაწილაკებით - პროტონზე 100-ჯერ მძიმე იყო. ამ ნაწილაკებს აქვთ სპინი 1 და უწოდებენ ვექტორულ ბოზონებს (აღმოაჩინეს 1983 წელს CERN-ში, შვეიცარია - საფრანგეთი).

არის ორი დამუხტული ვექტორული ბოზონი W + , W - და ერთი ნეიტრალური Z 0 (ზედა მდებარე ხატი, როგორც ყოველთვის, მიუთითებს მუხტს პროტონულ ერთეულებში). დამუხტული ვექტორული ბოზონი W - "მუშაობს" ნეიტრონისა და მიონის დაშლაში. მიონის დაშლის კურსი ნაჩვენებია ნახ. (ზემოთ, მარჯვნივ). ასეთ ნახატებს უწოდებენ ფეინმანის დიაგრამებს, ისინი არა მხოლოდ ასახავს პროცესს, არამედ ხელს უწყობს მის გამოთვლას. ეს არის ერთგვარი სტენოგრამა რეაქციის ალბათობის ფორმულისთვის; ის აქ გამოიყენება მხოლოდ საილუსტრაციოდ.

მიონი გარდაიქმნება ნეიტრინოდ, გამოყოფს W ბოზონს, რომელიც იშლება ელექტრონად და ანტინეიტრინოდ. გამოთავისუფლებული ენერგია არ არის საკმარისი W ბოზონის ფაქტობრივი დაბადებისთვის, ამიტომ ის იბადება ვირტუალურად, ანუ ძალიან მცირე ხნით. ამ შემთხვევაში ეს არის 10 -26 წმ. ამ დროის განმავლობაში, W-ბოზონის შესაბამის ველს არ აქვს დრო, რომ შექმნას ტალღა, ან სხვაგვარად, რეალური ნაწილაკი (იხ. ველები და ნაწილაკები). წარმოიქმნება 10 -16 სმ ზომის ველის შედედება და 10 -26 წამის შემდეგ მისგან იბადება ელექტრონი და ანტინეიტრინო.

ნეიტრონის დაშლისთვის შესაძლებელი იქნებოდა იგივე დიაგრამის დახატვა, მაგრამ აქ უკვე შეცდომაში შეგვყავს. ფაქტია, რომ ნეიტრონის ზომაა 10 -13 სმ, რაც 1000-ჯერ მეტია სუსტი ძალების მოქმედების რადიუსზე. ამიტომ, ეს ძალები მოქმედებენ ნეიტრონის შიგნით, სადაც კვარკები არიან განლაგებული. სამი ნეიტრონული კვარკიდან ერთი ასხივებს W ბოზონს და გარდაიქმნება სხვა კვარკად. ნეიტრონში კვარკების მუხტებია -1/3, -1/3 და +2/3, ასე რომ, ორი კვარკიდან ერთი უარყოფითი მუხტით -1/3 გადადის კვარკში +2 დადებითი მუხტით. /3. შედეგი იქნება კვარკები მუხტებით -1/3, 2/3, 2/3, რომლებიც ერთად ქმნიან პროტონს. რეაქციის პროდუქტები - ელექტრონი და ანტინეიტრინო - თავისუფლად დაფრინავენ პროტონიდან. მაგრამ კვარკმა, რომელიც ასხივებდა W ბოზონს, მიიღო უკუქცევა და დაიწყო მოძრაობა საპირისპირო მიმართულებით. რატომ არ გაფრინდება?

იგი შენარჩუნებულია ძლიერი ურთიერთქმედებით. ეს ურთიერთქმედება გადაიტანს კვარკს ორ განუყოფელ კომპანიონთან ერთად, რაც გამოიწვევს მოძრავ პროტონს. მსგავსი სქემის მიხედვით, ხდება დარჩენილი ჰადრონების სუსტი დაშლა (ასოცირებული სუსტ ურთიერთქმედებასთან). ყველა მათგანი იშლება ერთ-ერთი კვარკის მიერ ვექტორული ბოზონის გამოსხივებამდე, ამ ვექტორული ბოზონის ლეპტონებად გადაქცევამდე (μ-, e-, τ- და ν-ნაწილაკებად) და რეაქციის პროდუქტების შემდგომი გაფართოებით.

თუმცა ზოგჯერ ჰადრონული დაშლაც ხდება: ვექტორული ბოზონი შეიძლება დაიშალოს კვარკ-ანტიკვარკის წყვილად, რომელიც გადაიქცევა მეზონებად.

ასე რომ, სხვადასხვა რეაქციების დიდი რაოდენობა მოდის კვარკებისა და ლეპტონების ურთიერთქმედებაზე ვექტორულ ბოზონებთან. ეს ურთიერთქმედება უნივერსალურია, ანუ იგივეა კვარკებისა და ლეპტონებისთვის. სუსტი ურთიერთქმედების უნივერსალურობა, გრავიტაციული ან ელექტრომაგნიტური ურთიერთქმედების უნივერსალურობისგან განსხვავებით, ჯერ არ მიუღია ყოვლისმომცველი ახსნა. თანამედროვე თეორიებში სუსტი ურთიერთქმედება შერწყმულია ელექტრომაგნიტურ ურთიერთქმედებასთან (იხ. ბუნების ძალების ერთიანობა).

სუსტი ურთიერთქმედებით სიმეტრიის დარღვევის შესახებ იხილეთ პარიტეტი, ნეიტრინოები. სტატიაში „ბუნების ძალების ერთიანობა“ საუბრობს სუსტი ძალების ადგილს მიკროსამყაროს სურათზე.

სუსტი ურთიერთქმედება.

ფიზიკა ნელა მოძრაობს სუსტი ურთიერთქმედების არსებობის იდენტიფიცირებისკენ. სუსტი ურთიერთქმედება პასუხისმგებელია ნაწილაკების დაშლაზე. ამიტომ, მისი გამოვლინება შეგვხვდა რადიოაქტიურობის აღმოჩენისა და ბეტა დაშლის შესწავლის დროს (იხ. 8.1.5).

ბეტა დაშლამ გამოავლინა უკიდურესად უცნაური თვისება. როგორც ჩანს, ამ დაშლაში დაირღვა ენერგიის შენარჩუნების კანონი, ენერგიის ის ნაწილი სადღაც გაქრა. ენერგიის შენარჩუნების კანონის „გადასარჩენად“ ვ. პაული ვარაუდობს, რომ ბეტა დაშლის დროს ელექტრონთან ერთად სხვა ნაწილაკი გაფრინდება და თან წაიღებს დაკარგული ენერგიას. ის არის ნეიტრალური და აქვს უჩვეულოდ მაღალი შეღწევადობის უნარი, რის შედეგადაც მისი დაკვირვება შეუძლებელია. ე.ფერმიმ უხილავ ნაწილაკს "ნეიტრინო" უწოდა.

მაგრამ ნეიტრინოების პროგნოზირება პრობლემის მხოლოდ დასაწყისია, მისი ფორმულირება. საჭირო იყო ნეიტრინოების ბუნების ახსნა, აქ ბევრი საიდუმლო დარჩა. ფაქტია, რომ ელექტრონებსა და ნეიტრინოებს არასტაბილური ბირთვები ასხივებდნენ, მაგრამ ცნობილი იყო, რომ ბირთვების შიგნით ასეთი ნაწილაკები არ იყო. როგორ გაჩნდა ისინი? გაირკვა, რომ ბირთვში შემავალი ნეიტრონები, რომლებიც საკუთარ თავს დარჩა, რამდენიმე წუთის შემდეგ იშლება პროტონად, ელექტრონად და ნეიტრინოდ. რა ძალები იწვევს ასეთ დაშლას? ანალიზმა აჩვენა, რომ ცნობილ ძალებს არ შეუძლიათ ასეთი დაშლა. ის აშკარად წარმოიქმნა სხვა, უცნობი ძალის მიერ, რომელიც შეესაბამება რაღაც „სუსტ ურთიერთქმედებას“.

სუსტი ურთიერთქმედება ბევრად უფრო მცირეა, ვიდრე ყველა ურთიერთქმედება, გარდა გრავიტაციული ურთიერთქმედებისა. სადაც ის იმყოფება, მისი ეფექტები დაჩრდილულია ელექტრომაგნიტური და ძლიერი ურთიერთქმედებით. გარდა ამისა, სუსტი ურთიერთქმედება ვრცელდება ძალიან მცირე დისტანციებზე. სუსტი ურთიერთქმედების რადიუსი ძალიან მცირეა (10-16 სმ). აქედან გამომდინარე, მას არ შეუძლია გავლენა მოახდინოს არა მხოლოდ მაკროსკოპულ, არამედ ატომურ ობიექტებზეც და შემოიფარგლება სუბატომური ნაწილაკებით. გარდა ამისა, ელექტრომაგნიტურ და ძლიერ ურთიერთქმედებებთან შედარებით, სუსტი ურთიერთქმედება უკიდურესად ნელია.

როდესაც დაიწყო მრავალი არასტაბილური სუბბირთვული ნაწილაკების ზვავის მსგავსი აღმოჩენა, გაირკვა, რომ მათი უმრავლესობა მონაწილეობს სუსტ ურთიერთქმედებებში. სუსტი ურთიერთქმედება ბუნებაში ძალიან მნიშვნელოვან როლს თამაშობს. ის მზესა და ვარსკვლავებში თერმობირთვული რეაქციების განუყოფელი ნაწილია, რომელიც უზრუნველყოფს პულსარების სინთეზს, სუპერნოვას აფეთქებებს, ვარსკვლავებში ქიმიური ელემენტების სინთეზს და ა.შ.

ლეპტონს შეუძლია ვიპრომინიტოს ან შთანთქას W ბოზონი და გადაიქცეს ნეიტრინოდ;
კვარკს შეუძლია ვიპრომინიტოს ან შთანთქას W ბოზონი და შეცვალოს მისი გემო და გახდეს სხვა კვარკების სუპერპოზიცია;
ლეპტონს ან კვარკს შეუძლია Z-ბოზონის შთანთქმა ან ვიპრომინირება

ნაწილაკების სუსტად ურთიერთქმედების უნარი აღწერილია კვანტური რიცხვით, რომელსაც ეწოდება სუსტი იზოსპინი. იზოსპინის შესაძლო მნიშვნელობები ნაწილაკებისთვის, რომლებსაც შეუძლიათ W და Z ბოზონების გაცვლა, არის ± 1/2. სწორედ ეს ნაწილაკები ურთიერთქმედებენ სუსტი ურთიერთქმედებით. ნულოვანი სუსტი იზოსპინის მქონე ნაწილაკები, რომლებისთვისაც შეუძლებელია W და Z ბოზონების გაცვლის პროცესები, არ ურთიერთქმედებენ სუსტი ურთიერთობის გზით. სუსტი იზოსპინი შენარჩუნებულია ელემენტარულ ნაწილაკებს შორის რეაქციებში. ეს ნიშნავს, რომ რეაქციაში მონაწილე ყველა ნაწილაკების მთლიანი სუსტი იზოსპინი უცვლელი რჩება, თუმცა ნაწილაკების ტიპები შეიძლება შეიცვალოს.
სუსტი ურთიერთქმედების თავისებურება ის არის, რომ ის არღვევს პარიტეტს, რადგან მხოლოდ ფერმიონებს მარცხენა ხელის ქირალობით და ფერმიონების ანტინაწილაკებს მარჯვენა ხელის ქირალობით აქვთ სუსტად ურთიერთქმედების უნარი დამუხტული დენების მეშვეობით. სუსტ ურთიერთქმედებებში პარიტეტის არკონსერვაცია აღმოაჩინეს იან ჟენნინგმა და ლი ჟენდაომ, რისთვისაც მათ მიიღეს ნობელის პრემია ფიზიკაში 1957 წელს. პარიტეტის არკონსერვაციის მიზეზი ჩანს სიმეტრიის სპონტანურ დარღვევაში. სტანდარტულ მოდელში სიმეტრიის დარღვევა შეესაბამება ჰიპოთეტურ ნაწილაკს, ჰიგსის ბოზონს. ეს არის ჩვეულებრივი მოდელის ერთადერთი ნაწილაკი, რომელიც ჯერ ექსპერიმენტულად არ არის აღმოჩენილი.
სუსტი ურთიერთქმედებით, CP სიმეტრიაც ირღვევა. ეს დარღვევა ექსპერიმენტულად აღმოაჩინეს 1964 წელს კაონის ექსპერიმენტებში. აღმოჩენის ავტორებს, ჯეიმს კრონინს და ვალ ფიჩს, მიენიჭათ ნობელის პრემია 1980 წელს. CP სიმეტრიის დარღვევა ხდება ბევრად უფრო იშვიათად, ვიდრე პარიტეტის დარღვევა. ეს ასევე ნიშნავს, რადგან CPT სიმეტრიის კონსერვაცია ემყარება ფუნდამენტურ ფიზიკურ პრინციპებს - ლორენცის გარდაქმნებს და მოკლე დიაპაზონის ურთიერთქმედებას, T-სიმეტრიის დარღვევის შესაძლებლობას, ე.ი. ფიზიკური პროცესების შეუცვლელობა დროის მიმართულების ცვლილებებთან მიმართებაში.

1969 წელს აშენდა ელექტრომაგნიტური და სუსტი ბირთვული ურთიერთქმედების ერთიანი თეორია, რომლის მიხედვითაც 100 გევ ენერგიების დროს, რაც შეესაბამება 10 15 K ტემპერატურას, ქრება განსხვავება ელექტრომაგნიტურ და სუსტ პროცესებს შორის. ელექტროსუსტი და ძლიერი ბირთვული ურთიერთქმედების ერთიანი თეორიის ექსპერიმენტული გადამოწმება მოითხოვს ამაჩქარებლის ენერგიის ას მილიარდჯერ გაზრდას.
ელექტროსუსტი ურთიერთქმედების თეორია ეფუძნება SU(2) სიმეტრიის ჯგუფს.
მიუხედავად მისი მცირე ზომისა და ხანმოკლე ხანგრძლივობისა, სუსტი ურთიერთქმედება ბუნებაში ძალიან მნიშვნელოვან როლს ასრულებს. სუსტი ურთიერთქმედების "გამორთვა" რომ შესაძლებელი ყოფილიყო, მაშინ მზე გამოვიდოდა, რადგან პროტონის ნეიტრონად, პოზიტრონად და ნეიტრინოდ გადაქცევის პროცესი ხდება, რის შედეგადაც 4 პროტონი გადაიქცევა 4 He-ად, ორი. პოზიტრონი და ორი ნეიტრინო შეუძლებელი გახდებოდა. ეს პროცესი მზისა და ვარსკვლავების უმეტესობის ენერგიის ძირითად წყაროს წარმოადგენს (იხ. წყალბადის ციკლი). სუსტი ურთიერთქმედების პროცესები მნიშვნელოვანია ვარსკვლავების ევოლუციისთვის, რადგან ისინი იწვევენ ძალიან ცხელი ვარსკვლავების ენერგიის დაკარგვას სუპერნოვას აფეთქებების დროს პულსარების წარმოქმნით და ა.შ. ბუნებაში სუსტი ურთიერთქმედება რომ არ არსებობდეს, მიონები, პი-მეზონები და სხვა ნაწილაკები სტაბილური და გავრცელებული იქნებოდა ჩვეულებრივ მატერიაში. სუსტი ურთიერთქმედების ასეთი მნიშვნელოვანი როლი განპირობებულია იმით, რომ იგი არ ემორჩილება ძლიერი და ელექტრომაგნიტური ურთიერთქმედებისთვის დამახასიათებელ მთელ რიგ აკრძალვებს. კერძოდ, სუსტი ურთიერთქმედება დამუხტულ ლეპტონებს აქცევს ნეიტრინოდ, ხოლო ერთი არომატის კვარკებს მეორის კვარკებად.