16

ЛЕКЦИЯ 12

Содержание

1. Слабые взаимодействия. Лептонные заряды. Типы нейтрино.

2. Слабые распады. Константа слабого взаимодействия.

3. Заряженные и нейтральные слабые токи.

4. Закон сохранения четности. Р-симметрия. Несохранение четности в слабых взаимодействиях.

5. Спиральность.

1. Слабые взаимодействия. Лептонные заряды. Типы нейтрино.

Третий важный в физике частиц вид взаимодействия (помимо сильного и электромагнитного) - слабый. Его константа _w10^-6 (_s1, _e10^-2). Радиус слабых сил очень мал (10^-16 см). Слабое взаимодействие осуществляется обменом промежуточными бозонами W, Z. В слабых взаимодействиях участвуют лептоны и кварки (адроны).

Несмотря на "слабость" слабого взаимодействия его роль в нашем мире и в физике велика. Оно выделяется, во-первых, экзотичностью. Многие законы сохранения нарушаются именно слабыми силами. Кроме того, без слабых сил не светило бы Солнце. Ключевым процессом, открывающим цепочку ядерных реакций на Солнце и в других звездах, является реакция

p + p ²H + e⁺ + _e, (12.1)

идущая за счет слабых сил.

Одним из признаков слабого взаимодействия является появление нейтрино (антинейтрино). Эти частицы входят в группу лептонов - точечных фундаментальных фермионов со спином 1/2, не участвующих в сильных взаимодействиях (в них не участвуют также кванты слабого поля W, Z и квант электромагнитного поля - фотон). Характеристики лептонов даны в табл.12.1. Характеристики антилептонов получаются изменением знаков всех зарядов и заменой в схемах распада частиц на античастицы.

Лептонный заряд или лептонное квантовое число было введено в физику частиц в 1955 г., когда появились эксперименты, указывающие на нетождественность и . Был известен распад нейтрона np+e^-+_e. Дэвис поставил опыт по обнаружению реакции

_e + + e^-, (12.2)

которая соответствовала внутри ядра процессу _e+np+e^-. Необходимые для этой реакции _e брались из реактора, т.е. от распада нейтронов. Реакция (12.2) не была обнаружена. Наиболее естественный способ объяснения этого состоял в приписывании электрону и антинейтрино нового (лептонного) квантового числа L_e, равного по величине и противоположного по знаку (условились полагать для электрона и нейтрино L_e=+1, а для позитрона и антинейтрино L_e=-1). Тогда реакция (12.2) нарушает закон сохранения лептонного заряда и поэтому не должна идти.

Таблица 12.1

Характеристики лептонов (спин 1/2, r<10^-16 ñì)

лептон	Масса mc^2, ÌýÂ	электри-ческий заряд (â åä. e)	лептонный заряд Le L L				время жизни		основной тип распада
e^-	0.511	-1	+1	0	0	>4.310^23 ëåò
e	<10 ýÂ	0	+1	0	0	стабильно
^-	105.7	-1	0	+1	0	2.210^-6 ñåê
	<0.17	0	0	+1	0	стабильно
^-	1777	-1	0	0	+1	2.910^-13ñåê		адроны+, ,
	<18.2	0	0	0	+1	стабильно

В 1962 г. был открыт новый тип нейтрино - мюонное нейтрино . Мюон распадается следующим образом

e + + . (12.3)

В то же время распад

e + , (12.4)

не запрещенный ни одним из известных в то время законов сохранения, не наблюдался, также как и распад 3e (вероятность распада (12.4) в полном распаде мюона по современным данным <510^-11, а вероятность распада 3e меньше 10^-12). Наиболее простой способ объяснить отсутствие -распада мюона (также как и распада на 3е) состоял в введении нового закона сохранения: закона сохранения мюонного лептонного заряда L, отличного от электронного лептонного заряда L_e. Тогда в распаде (12.4) нарушаются законы сохранения L и L_e, а распад (12.3) должен быть записан в следующем виде (если распадается ^-):

^- e^- + _e +. (12.5)

В 1962 г. был поставлен специальный эксперимент, доказывающий отличие _e от . Выделялся чистый пучок из распада^--+и было показано, что с этим пучком идет реакция

+ p ⁺ + n

и не идет реакция

+ p e⁺ + n.

В то же время последняя реакция идет с электронным антинейтрино _e.

В 1975 г. группа физиков под руководством Перла на е⁺å^--коллайдере SPEAR (SLAC, Стэнфорд, США) открыла -лептон и в физике частиц появились тау-лептонное квантовое число L и тау-лептонное нейтрино .

Таким образом, 6 лептонов подразделяются на три обособленные группы по два лептона, один из которых заряженный, а другой нейтральный - e^-,_e; ^-, è ™^-,. Эти группы, как уже отмечалось в Лекции 9, входят вместе с кварками в состав трех семейств (поколений) фундаментальных фермионов (12.6).

заряд в åä. e
+2/3		u		c		t
-1/3		d		s		b
-1		e^-		^-		^-	(12.6)
0		e				™
		1		2		3

Каждое из этих семейств является как бы копией двух других и причина существования подобных копий пока не ясна. Окружающий нас мир состоит из фундаментальных фермионов 1-го поколения. Остальные поколения обнаружены в ускорительных экспериментах. Есть веские основания полагать (о них мы скажем в конце курса), что этими тремя поколениями исчерпывается набор фундаментальных фермионов.

Типы кварков различают по ароматам. Можно расширить значение этого термина, включив в него и шесть типов лептонных ароматов. В этой связи часто говорят не о различных типах нейтрино, а о нейтринных ароматах.

В заключение этого пункта отметим, что несмотря на то, что существующие экспериментальные данные свидетельствуют в пользу существования нейтрино и антинейтрино и выполнения закона сохранения лептонного заряда, нельзя исключить и такого варианта, когда нейтрино и антинейтрино (все или некоторые из них) на самом деле истинно нейтральны, т.е. являются своими собственными античастицами. Такие истинно нейтральные нейтрино называют майорановыми (по имени итальянского физика Майораны), в отличие от обычных, рассмотренных нами выше и называемых дираковскими. Дираковские нейтрино безмассовы, а майорановы имеют массы (эти массы могут быть ничтожно малыми). Если хотя бы некоторые нейтрино майорановы, то это означает, что закон сохранения лептонного заряда должен нарушаться (эти нарушения также могут быть очень незначительными и трудно наблюдаемыми). В современной Стандартной Модели элементарных частиц нейтрино считаются дираковскими (безмассовыми). В дальнейшем мы также будем полагать нейтрино безмассовыми и закон сохранения лептонного заряда абсолютным.

Два физика были отмечены в 1995 г. Нобелевской премией за экспериментальные открытия лептонов - Райнес (за открытие в 1956 г. электронного антинейтрино _e) и Перл (за открытие в 1975г. ™™-лептона).