СЛАБЫЕ ВЗАИМОДЕЙСТВИЯ

СЛАБЫЕ ВЗАИМОДЕЙСТВИЯ один
из четырёх типов известных фундаментальных взаимодействий между элементарными
частицами (три других типа -электромагнитное, гравитационное и сильное).
С. в. гораздо слабее не только сильного, но и электромагнитного взаимодействий,
но гораздо сильнее гравитационного.

О силе взаимодействия можно
судить по скорости процессов, к-рые оно вызывает. Обычно сравнивают между
собой скорости процессов при энергиях порядка 10⁸-10⁹эв,
к-рые
являются характерными для физики элементарных частиц, т. к. именно такого
порядка массы (выраженные в энергетич. единицах) большинства элементарных
частиц (напр., масса л-мезона 1,4 • 10⁸ эв, масса протона 9,4
• 10⁸ эв). При таких энергиях процесс, обусловленный сильным
взаимодействием, происходит за время 10^-24сек; за это время
сильно взаимодействующая частица (адрон), движущаяся со скоростью
порядка скорости света (3 х 10¹⁰ см/сек), пролетает расстояние
порядка своих размеров (10^-13 см).

Электромагнитный процесс
в этих же условиях длится примерно 10-²¹ сек. Характерное
же время процессов, происходящих за счёт С. в. ("слабых процессов"), гораздо
больше: 10^-1° сек. Так что в мире элементарных частиц
слабые процессы протекают чрезвычайно медленно.

Другая характеристика взаимодействия
- длина свободного пробега частицы в веществе. Сильно взаимодействующие
частицы обычно задерживаются железной плитой толщиной в неск. десятков
см.
Нейтрино же, обладающее лишь С. в., проходило бы, не испытав ни одного
столкновения, через железную плиту толщиной порядка миллиарда
км. Ещё
более слабым является гравитац. взаимодействие, сила к-рого при энергии
10⁹ эв в 10³³ раз (на 33 порядка) меньше,
чем у С. в. Однако в повседневной жизни роль гравитац. взаимодействия гораздо
заметней роли С. в. Это связано с тем, что гравитац. взаимодействие, так
же как электромагнитное, имеет бесконечно большой радиус действия; поэтому,
напр., на тела, находящиеся на поверхности Земли, действует гравитац. притяжение
со стороны всех атомов, из к-рых состоит Земля. Слабое же взаимодействие
обладает настстолько малым радиусом действия, что величина этого радиуса
до сих пор не измерена: она наверняка меньше 10-¹⁴cм, а возможно,
и 10-¹⁵ см, что на два порядка меньше радиуса сильного
взаимодействия. Вследствие этого, напр., С. в. между ядрами двух соседних
атомов, находящихся на расстоянии 10-⁸ см, совершенно
ничтожно.

Однако, несмотря на малую
величину и короткодействие, С. в. играет очень важную роль в природе. Так,
если бы удалось "выключить" С. в., то погасло бы Солнце, т. к. был бы невозможен
процесс превращения протона (р) в нейтрон (п), позитрон (е⁺)
и нейтрино (v). Именно в результате этого процесса происходит "выгорание"
водорода на Солнце и четыре протона превращаются в ядро гелия, состоящее
из двух протонов и двух нейтронов. Этот процесс служит источником энергии
как Солнца, так и большинства звёзд. Процессы С. в. с испусканием нейтрино,
по-видимому, вообще играют исключительно важную роль в эволюции звёзд,
обусловливая потери энергии очень горячими звёздами, механизмы взрывов
сверхновых
звёзд с образованием пульсаров и т. д. Ещё один пример: если
бы не было С. в., то были бы стабильны и широко распространены в обычном
веществе мюоны. (м) и п-мезоны, а также странные частицы,
к-рые,
как известно, под действием С. в. распадаются за миллионные - миллиардные
доли сек на обычные (нестранные) частицы.

Столь большая роль С. в.
связана с тем, что С. в. не подчиняется ряду запретов, которым подчиняются
сильное и электромагнитное взаимодействия. В отличие от сильного и электромагнитного
взаимодействий, С. в. нарушает закон сохранения странности. Нарушает
С. в. и др. фундаментальную симметрию природы - зеркальную (см. Пространственная
инверсия); в слабых распадах максимально нарушается закон сохранения
пространственной чётности и зарядовой чётности (см. Зарядовое
сопряжение).

В обусловленных С. в. процессах
распада долгоживущих нейтральных К-мезонов на десятые доли процента
происходит нарушение сохранения т. н. комбинированной чётности (см. Комбинированная
инверсия) и временной обратимости микропроцессов (т. н. Т-инвариантности;
см. Обращение времени). (Подробнее см. ниже.)

Интенсивности слабых процессов
быстро растут с ростом энергии. Так, напр., бета-распад нейтрона,
энерговыделение в к-ром мало ( 1 Мэв) по сравнению с энергиями
порядка энергии покоя адронов, длится ок. 10³ сек, что
на 13 порядков больше, чем время жизни Л-гиперона. Сечение взаимодействия
с нуклонами (протонами и нейтронами) для нейтрино, имеющих энергии 100
Гэв,
примерно
в миллион раз больше, чем для нейтрино с энергией 1 Мэв.
Вплоть
до каких энергий продлится рост сечения с энергией, пока не ясно. Возможно,
он не прекратится до энергий 1000 Гэв в системе центра масс сталкивающихся
частиц. Возможно, однако, что этот рост остановится при гораздо меньших
энергиях.

Наиболее распространённый
процесс, обусловленный С. в.,-В(бетта)-распад радиоактивных атомных
ядер. Явление радиоактивности было обнаружено в 1896 А. А. Беккерелем.
В
течение первой трети 20 в. экспериментально исследовались энергетич. спектры
В-радиоактивных
ядер (Э. Резерфорд, Дж. Чедвик,
Л.
Майтнер). Результатом
этого исследования явилась гипотеза (1931, В. Паули) о том, что
в В-распаде наряду с электроном (е^-) испускается ещё
одна лёгкая частица, получившая позднее название нейтрино. И хотя экспериментально
свободное нейтрино было обнаружено лишь в 1956, уже в 1934, исходя из гипотезы
Паули, Э. Ферми построил теорию В-распада, к-рая (с нек-рыми
модификациями) лежит в основе совр. теории С. в.

Согласно теории Ферми, электрон
и нейтрино (более точно: антинейтрино), вылетающие из В-радиоактивного
ядра, не находились в нём до этого, а возникают в момент распада. Это явление
аналогично испусканию фотонов низкой энергии (видимого света) возбуждёнными
атомами или фотонов высокой энергии (y(гамма)-квантов) возбуждёнными
ядрами. Как известно, свет испускается электроном при переходе с одного
атомного уровня на другой, более низкий. Аналогично y-кванты испускаются
нуклонами, переходящими с более высоких, возбуждённых уровней в ядре на
более низкие. Первичной причиной этих процессов является взаимодействие
электрич. зарядов с электромагнитным полем: движущаяся заряженная частица
- электрон или протон - возмущает электромагнитное поле, причём энергия
частицы передаётся квантам поля -фотонам. Движущийся заряд создаёт электромагнитный
ток, и обычно говорят о взаимодействии фотонов с электромагнитным током.
В квантовой электродинамике взаимодействие электрона с фотоном описывается
выражением типа

Здесь е - элементарный
электрич. заряд, являющийся константой электромагнитного взаимодействия
(безразмерной константой, характеризующей интенсивность протекания электромагнитных
процессов, является величина а=е²/hc=1/137, где
h
- постоянная Планка, с - скорость света), ф(пси) - оператор
уничтожения электрона, находящегося в исходном состоянии, ф
- оператор рождения электрона в конечном состоянии, А - оператор
рождения фотона. Т. о., вместо исходного электрона возникают две частицы:
электрон, находящийся в другом состоянии (с меньшей энергией), и фотон.
Более точно взаимодействие электрона с фотоном описывается выражением

Индекс М(мю) в величине
Апринимает
четыре значения: М = О, 1, 2, 3 и указывает, что величина Апреобразуется как четырёхмерный вектор при Лоренца преобразованиях.
[Напомним,
что четырёхмерный вектор образуют, напр., четырёхмерные координаты частицы
x(х= х, x= z) или её энергия и импульс рp=
= ррз = pгде E - энергия частицы, ppкомпоненты её трёхмерного импульса).] Скалярное произведение
двух четырёхмерных векторов определяется следующим образом: x=
x- x(по одинаковым индексам М производится
суммирование; для краткости знак суммы опускается). Поскольку электромагнитное
поле является векторным, то о кванте этого поля - фотоне - говорят как
о векторной частице. Величина

наз. электромагнитным током.
Чтобы взаимодействие (1) было лоренц-инвариантным, необходимо, чтобы электромагнитный
ток

также являлся четырехмерным
вектором и взаимодействие тока с фотонным полем представляло собой скалярное
произведение двух четырёхмерных векторов (именно на это указывает повторение
индекса М). Четыре матрицы y (матрицы Дирака)
введены для того, чтобы из операторов

к-рые являются четырёхмерными
спинорами
относительно
преобразований Лоренца, сконструировать четырёхмерный вектор - электромагнитный
ток.

Уточним теперь смысл операторов
ф и ф. Они описывают процессы не только с участием частиц (электронов),
но и с участием античастиц (позитронов). Оператор ф(пси)
уничтожает электронили рождает позитрон, а оператор ф рождает электрон
или уничтожает позитрон. Оператор А описывает как рождение, так
и уничтожение фотонов, поскольку абсолютно нейтральная частица - фотон
-сама является своей античастицей. Т. о., взаимодействие еффА описывает
не только испускание и поглощение света электронами и позитронами, но и
такие процессы, как рождение электрон-позитронных пар фотонами или аннигиляция
этих пар в фотоны.

Рис. 1.

Рис. 2.

Обмен фотоном (у)
между двумя заряженными частицами приводит к взаимодействию этих частиц
друг с другом.

В результате возникает, напр.,
рассеяние электрона протоном, к-рое схематически изображается Фейнма-на
диаграммой, представленной на рис. 1. При переходе протона в ядре с
одного уровня на другой это же взаимодействие может привести к рождению
ядром электрон-позитронной пары (рис. 2).

Теория В-распада Ферми
по существу аналогична теории электромагнитных процессов. В основу теории
Ферми положил взаимодействие двух "слабых токов", но взаимодействующих
между собой не на расстоянии путём обмена частицей - квантом поля (фотоном
в случае электромагнитного взаимодействия), а контактно. Это взаимодействие
в совр. обозначениях имеет вид:

Здесь G - константа Ферми,
или константа С. в., эксперимент. значение к-рой G 10-⁴⁹ эрг
х
см³; величина G/hc имеет размерность квадрата длины,
и в единицах с = h = 1 G 10-⁵/М²где Мр- масса протона; р - оператор рождения протона (уничтожения антипротона),
n
- оператор уничтожения нейтрона (рождения антинейтрона), е - оператор рождения
электрона (уничтожения позитрона), v - оператор уничтожения нейтрино (рождения
антинейтрино). [Здесь и в дальнейшем операторы рождения и уничтожения частиц
обозначены символами соответствующих частиц, набранными полужирным шрифтом.]
Ток рy переводящий нейтрон в протон, получил впоследствии
название нуклонного, а ток ey - лептонного (электрон
и нейтрино - лептоны). Ферми постулировал, что, подобно электромагнитному
току, слабые токи также являются четырёхмерными векторами. Поэтому фермиевское
взаимодействие наз. векторным. (Заметим, что первоначальная идея Ферми
заключалась в том, что нуклонный ток рy аналогичен
электромагнитному току рy лептонный ток
еy
-электромагнитному полю Д,. Однако в написанное им выражение нуклонный
и лептонный токи вошли равноправно, и дальнейшее развитие теории всё в
большей степени подчёркивало это равноправие.)

Рис. 3, Рис. 4, Рис. 5.

Подобно испусканию электрон-позитронной
пары, В-распад нейтрона может быть описан похожей диаграммой (рис.
3) [в статье античастицы помечены значком "тильда" () над символами соответствующих
частиц]. Но из сказанного выше об операторах рождения и уничтожения частиц
следует, что взаимодействие лептонного и нуклонного токов должно давать
и другие слабые процессы, напр. реакцию

Существенным отличием слабого
тока от электромагнитного является то, что слабый ток меняет заряд частиц,
в то время как электромагнитный ток не меняет: слабый ток превращает нейтрон
в протон, электрон в нейтрино, а электромагнитный оставляет протон протоном,
а электрон электроном.

Поэтому слабые токи рn
и ev наз. заряженными токами. Согласно такой терминологии, обычный
электромагнитный ток ее является нейтральным током. Обсуждение вопроса
о нейтральных слабых токах типа vМvМ, ММ см. ниже.

Следует подчеркнуть, что
теория Ферми опиралась на результаты исследований в трёх различных областях:
1) экспериментальные исследования собственно С. в. (В-распад), приведшие
к гипотезе о существовании нейтрино; 2) экспериментальные исследования
сильного взаимодействия (ядерные реакции), приведшие к открытию протонов
и нейтронов и пониманию того, что ядра состоят из этих частиц; 3) экспериментальные
и теоре-тич. исследования электромагнитного взаимодействия, в результате
к-рых был заложен фундамент квантовой теории поля.

Дальнейшее (и особенно позднейшее)
развитие физики элементарных частиц неоднократно подтверждало плодотворную
взаимозависимость исследований сильного, слабого и электромагнитного взаимодействий.

Вопрос о том, действительно
ли слабое В-распадное взаимодействие - векторное, был предметом
теоретич. и экспериментальных исследований в течение более 20 лет. За эти
годы выяснилось, что С. в. ответственно не только за В-распад ядер,
но и за медленные распады нестабильных элементарных частиц. После открытия
мюонов, п-мезонов, К-мезонов и гиперонов в кон. 40 - нач. 50-х гг. была
сформулирована гипотеза об универсальном характере С. в., ответственного
за распады всех этих частиц.

В 1956 при теоретич. исследовании
распадов К-мезонов Ли Цзун-дао и Ян Чжэпъ-нин (США) выдвинули гипотезу
о том, что С. в. не сохраняет чётность; вскоре несохранение чётности было
обнаружено экспериментально в В-распаде ядер (By Цзянь-сюн и сотрудники,
США), в распада мюона [Р. Гарвин, Л. Ледерман (США) и др.] и в распадах
др. частиц.

Осенью 1956 Л. Д. Ландау
и
независимо Ли, Ян, Р. Эме выдвинули гипотезу, согласно к-рой в С. в. нарушается
не только пространственная чётность (Р), но и зарядовая чётность (С), причём
таким образом, что сохраняется их произведение - комбинированная чётность
(СР-чётность). Инвариантность С. в. относительно комбинированной инверсии
означала бы, что процессы с участием частиц являются "зеркальными" по отношению
к процессам с участием соответствующих античастиц. Так, напр., угловые
распределения электронов (е-) при распаде отрицательных мюонов
(М-)
и позитронов (е⁺) при распаде М⁺ выглядят
так, как это изображено на рис. 6. Нарушение комбинированной инверсии,
хотя и наблюдалось, но только в распадах нейтральных К-мезонов (см. ниже).

Обобщая огромный экспериментальный
материал, М. Гелл-Ман, Р. Фейнман, Р. Маршак и Е. Судершан
(США) в 1957 предложили теорию универсального слабого взаимодействия, т.
н. V - А-теорию. В этой теории, так же как в теории Ферми, С. в.
возникает за счёт слабых токов. Отличие заключается лишь в двух пунктах:

Во-первых, у Ферми слабый
ток был векторным, а в новой теории ток представляет собой сумму вектора
(V) и аксиального вектора (А). (Аксиальный ток конструируется с помощью
матриц y, где y
iy.) При преобразованиях
Лоренца оба эти тока (V и А) ведут себя одинаково, подобно обычным четырёхмерным
векторам. Однако при зеркальных отражениях они ведут себя по-разному, т.
к. обладают различной чётностью. В результате слабый ток не обладает определённой
чётностью. Это свойство слабого тока отражает несохранение чётности в С.
в., обнаруженное на опыте.

Во-вторых, кроме членов
рп
и evМv
переводящий мюонное нейтрино vоткрыто экспериментально в 1962, и нейтрино, выступающее в реакциях совместно
с электроном (позитроном), стали называть электронным и обозначать символом
vчастиц (К-мезонов и гаперонов). Что касается нуклонного тока рп, то он
теперь выступает как одно из проявлений адронного тока, не меняющего странность.

Рис. 6. Нарушение пространственной
чётности инвариантности относительно зарядового сопряжения в процессах
слабого взаимодействия, а также инвариантность слабого взаимодействия относительно
комбинированной инверсии иллюстрируются на распадах М⁺->e⁺
+ v (а) и М^-
-> е^- + v+ v (б). Жирная
стрелка - направление спина мюона М⁺(М^-) ("кружок"
со стрелкой обозначает направление "вращения", отвечающее указанному направлению
спина); тонкая стрелка - направление импульса позитрона е⁺ (электрона
е^-); пунктирная стрелка - изображение вылета е⁺ (е^-)
в "зеркале" Р (при зеркальном отражении направление спина-направление
"вращения" - не меняется). Если бы в слабых взаимодействиях сохранялась
пространственная чётность, т. е. существовала зеркальная симметрия, то
вероятности вылета е⁺ (е^-) под углами V и
п - V к направлению спина М⁺(М^-) были
бы одинаковыми. Если бы слабое взаимодействие было инвариантно относительно
зарядового сопряжения, то распады М⁺ и М^-
выглядели бы одинаково. В действительности этого не наблюдается. Инвариантность
слабых взаимодействий относительно комбинированной инверсии проявляется
в том, что оказываются одинаковыми вероятности вылета е⁺ под
углом V к спину М⁺ (а) и вылета е^-
под углом п - V к спину М^- (б).

Адронные токи (нестранный
и странный) более сложны, чем лептонные, поскольку число известных лептонов
мало

(е+, v,
M^+-,
vv а число известных адронов достигает неск. сотен. Можно,
однако, предположить, что все известные адроны построены из трёх типов
более элементарных частиц, к-рые получилиназвание
кварков:
протонного
кварка р, нейтронного кварка и, странного кварка
Л(лямбда)
и их античастиц - антикварков.

Нуклоны состоят из трёх кварков:
р = ррп, n = ппр; Л-гиперон, напр., содержит в своём составе
наряду с р^- и n-кварками ещё и странный кварк:
Л = рnЛ; мезоны состоят из кварка и антикварка: п⁺ =
рп,
п^-
- рп, К⁺ = рЛ, К^- = Л, K° = nЛ,
К° = nЛ. Гипотеза кварков прекрасно объясняет широкий круг явлений,
относящихся к свойствам сильных и электромагнитных взаимодействий адронов
и их классификации. Согласно этой гипотезе, В -распад нейтрона происходит
за счёт того, что в нейтроне один нейтронный кварк превращается в протонный
кварк, испуская пару е- v Аналогично, распад Л->р
+ е- + Ve происходит за счёт превращения
Л-кварка в
р-кварк:
Л->р + е^- + Ve, при этом слабый адронный ток можно
записать в виде:

где р - оператор рождения
р-кварка (уничтожения р-кварка), и - оператор уничтожения
n-кварка
(рождения n-кварка), Л - оператор уничтожения
Л-кварка
(рождения Л-кварка), в - т.н. угол Кабиббо, к-рый, как
показал опыт, равен примерно 15⁰. То, что sin V<cos V, отражает
тот факт, что распады с изменением странности частиц подавлены (идут с
меньшей вероятностью) по сравнению с распадами, в к-рых странность сохраняется.
Напр., распад Л->р + е^- + + vпо сравнению с распадом нейтрона n->р + е^- + vЭто утверждение не следует понимать, однако, слишком буквально, т. к. вероятность
распада определяется не только силой взаимодействия соответствующих токов,
но и величиной энергии, выделяющейся в распаде, а именно пропорциональна
пятой степени этой энергии. А энерговыделение в распаде нейтрона на два
порядка меньше, чем в распаде Л-гиперона. Т. о., малость sinV означает
лишь, что Л-гиперон хотя и распадается на 10 порядков быстрее нейтрона,
однако примерно в 20 раз медленней, чем распадался бы нейтрон, если бы
он имел массу Л-гиперона.

Если обозначить через jсуммарный
слабый ток:

то энергия (более точно -
лагранжиан L) С, в. приобретает вид:

здесь G - константа С. в.,
индекс + означает сопряжённый ток:

Каждое из слагаемых в токах
jи
j+представляет собой сумму вектора и аксиального вектора, напр.
ey(l +yдля С. в. описывает все известные слабые процессы, кроме т. н. нейтральных
токов (см. ниже). Эти процессы можно расклассифицировать по тому, произведение
каких слагаемых в токах jj⁺
за них ответственно. В клетках таблицы перенумерованы соответствующие процессы.
Таблица слабых процессов

Клетки таблицы, симметричные
относительно диагонали, содержат прямые и соответствующие обратные процессы.

1. Произведение токов (vописывает упругое рассеяние v+ е->vе; на опыте это рассеяние пока не обнаружено, но точность экспериментов
несколько хуже необходимой для измерения предсказываемой теорией величины
.

2. Произведение токов
(vMv) ответственно за распады M⁺->е⁺
+ vM^-->е^-
+ vv, к-рые хорошо изучены
и прекрасно описываются теорией.

3. Произведение токов
(pn)(evB-распады ядер и распады типа
п⁺->е⁺ + v+->п° + е⁺
+ vслабым векторным током и электромагнитным током (на основе гипотезы сохраняющегося
векторного тока) была предсказана Я. Б. Зельдовичем и С. С. Герштейном
ещё в 1955; последующие эксперименты подтвердили это предсказание. Это
же взаимодействие приводит к нейтринной реакции vе⁺
+ n, обнаруженной в 1956 Ф. Райнесом и К. Коуэном (США) в пучке антинейтрино
от ядерного реактора.

4. Произведение токов
(pЛ)(ev) ответственно за В-распады странных частиц,
в к-рых меняется странность, напр. Л -> р + е^- + ve,
S^-
-> n + е^- + vе⁺ + vК⁺->е⁺ + v

В этих распадах имеют место
след. правила отбора, вытекающие из вида слабого тока и подтверждённые
на опыте: 1)АS = ±1, где АS-изменение странности адронов,
участвующих в распаде (АS = S- странность распадающегося адрона, Sпоявившихся в результате распада); 2) АS = AО, где AО
- изменение электрич. заряда адронов; 3) AT = 1/2, где AТ
- изотопический спин странного адронного тока.

5. Произведение токов
(v) приводит к процессу vM⁺
+ M^- + + v, к-рый должен происходить
при взаимодействии нейтрино высокой энергии с кулоновским полем ядра. Теоретически
предсказанная величина сечения процесса меньше предела, достигнутого при
экспериментальных поисках этого процесса.

6. Произведение токов
(pn)(Mv) ответственно за процессы захвата мюонов атомными
ядрами, в основе которых лежит реакция M^- + р -> n + v.
Этот захват детально изучен для большого числа различных ядер. Кроме того,
это же произведение ответственно за основной канал распада заряженных п-мезонов:
п⁺->М⁺ + v, п^-->M^-
+ v а также за основную часть нейтринных
реакций

при высоких энергиях, к-рые
наблюдаются в пучках нейтрино, образованных при распадах п- и К-мезонов,
рождающихся при бомбардировке ядер энергичными протонами от ускорителей.
Такие нейтринные пучки имеются в ряде лабораторий. При столкновении энергичного
нейтрино с нуклоном могут происходить как квазиупругие процессы: v+ п-> M^- + р или vр->M⁺
+ п, так и неупругие: vнуклон ->M-(M⁺) + + нуклон + мезоны. В обычных
пучках нейтрино высоких энергий доля электронных нейтрино мала, т. к. п-мезоны
в основном распадаются с испусканием M и v

7. Произведение токов (рЛ)(Мv
приводит к мюонным распадам странных частиц с изменением странности:

и т. д., подчиняющихся тем
же правилам отбора, что и соответствующие электронные распады (см. пункт
4).
Кроме
того, оно ответственно за нейтринные реакции, в к-рых рождаются одиночные
странные частицы.

8. Произведение токов
(рп)(пр) приводит к слабым ядерным силам, не сохраняющим, в отличие
от обычных ядерных сил, пространственную чётность (Р). Такие Р-нечётные
силы, предсказанные теорией, были обнаружены на опыте Ю. Г. Абовым, П.
А. Крупчицким, В. М. Лобашёвым, В. А. Назаренко и др. (СССР).

9. Произведение (рЛ)(пр)
ответственно за многочастичные нелептонные распады странных частиц:

10. Произведение (рЛ)(Лр)
даёт вклад в Р-нечётные ядерные силы (см. пункт 8).

Рассмотренное выше выражение,
описывающее С. в., не объясняет два явления: 1) нарушение СР-инвариантности,
обнаруженное в 1964 в эксперименте Дж. Кристенсена, Дж. Кронина, В. Фитча
и Р. Тёрли (США); 2) нейтральные нейтринные токи, обнаруженные в 1973 в
ЦЕРНе (Европейском центре ядерных исследовании),

Экспериментальное исследование
СР-неинвариантных эффектов в распадах нейтральных К-мезонов на два п-мезона,
на пev и на пМvпривело к выводу,
что СР-неинвариантное взаимодействие является либо мяллислабым (т. е. в
1000 раз слабее обычного С. в.), либо сверхслабым (в миллиард раз слабее
обычного С. в.). Для выяснения природы СР-неинвариантного взаимодействия
было бы крайне важным найти к.-л. СР-неинвариантный процесс не в распадах
нейтральных К-мезонов, а в распадах или взаимодействиях др. частиц. В частности,
большой интерес представляют поиски дипольного момента нейтрона.

Нейтральные нейтринные токи
обнаружены при взаимодействии мюонных нейтрино и антинейтрино с нуклонами:
v v+ п(р)->vсоставляют соответственно примерно 0,2 и 0,4 от сечений аналогичных реакций,
протекающих под действием заряженного тока.

Открытие нейтральных токов
означает, что теория С. в., созданная в 1957, должна быть существенно модифицирована.
В действительности такая модифицированная теоретическая модель С. в., содержащая
нейтральные токи, была предложена ешё в 1967 С. Вайнбергом (США) и А. Саламом
(Пакистан), и она в значительной степени стимулировала поиски нейтральных
токов. В основе этой модели и её различных позднейших вариаций лежит гипотеза
о том, что С. в. представляет собой не контактное взаимодействие токов,
а осуществляется путём обмена промежуточными векторными бозонами (W)-тяжёлыми
частицами со спином 1. Гипотеза о том, что переносчиками С. в. являются
векторные бозоны, делает более полной аналогию с электромагнитным взаимодействием,
из к-рой исходил Ферми. Чтобы убедиться в этом, достаточно сравнить рис.
2, 3 и 7. Действительно, роль промежуточного фотона на рис. 2 играет промежуточный
бозон W на рис. 7.

Рис. 7.

Из неопределённостей соотношения
следует,
что, для того чтобы обеспечить малый радиус С. в., масса промежуточного
бозона Mдолжна быть достаточно велика. Расстояние,
к-рое проходит виртуальный промежуточный бозон, порядка h/MВ основе модели Вайнберга - Салама лежит идея о единой природе слабого
и электромагнитного взаимодействий. При этом предполагается, что взаимодействие
W-бозона со слабым током по силе такое же (более точно, примерно такое
же), как взаимодействие фотона с электромагнитным током: в обоих случаях
сила взаимодействия определяется электрич. зарядом е. Фермиевская
константа является величиной вторичной и выражается через а и M

В модели Вайнберга - Салама
промежуточных бозонов три: два заряженных, W+ и W-, и один нейтральный,
Z°.
Эти
частицы, согласно расчётам, должны быть в десятки раз тяжелее протона
(M> 40МM 80Мвеличина массы этих бозонов получается из величины константы С. в. G и
постоянной тонкой структуры а = 1/137, характеризующей электромагнитное
взаимодействие частиц (М2 >a/G). To обстоятельство,
что в теорию существенным образом входит а, отражает очень важное свойство
теории: она является единой теорией слабого и электромагнитного взаимодействий.
При этом промежуточные бозоны и нейтральные токи необходимы для того, чтобы
теория была непротиворечивой.

Как отметил ещё в 1936 В.
Гейзенберг,
контактное
взаимодействие фермиевских токов приводит к очень сильному росту С. в.
на малых расстояниях. Позднейшие теоретич. исследования показали, что теория
такого взаимодействия неперенормируема: содержит бесконечное число бесконечных
величин.

В отличие от контактной фермиевской
теории и от теории с одними лишь заряженными промежуточными бозонами, теория,
содержащая симметричным образом заряженные и нейтральные бозоны и токи,
перенормируема. Она содержит лишь неск. бесконечно больших величин, от
к-рых можно избавиться с помощью операции, называемой перенормировкой (см.
Квантовая
теория поля).

Промежуточные бозоны (W⁺,
W-, Z⁰) -нестабильные частицы. Т. к. их масса очень велика,
то для их образования нужны очень высокие энергии, недоступные совр. ускорителям.

Очень важный вопрос в модели
Вайнберга - Салама - вопрос о нейтральных токах, меняющих странность, к-рые
на опыте на много порядков подавлены по сравнению с заряженными токами
и с нейтральными токами, сохраняющими странность. Напр., распад долгоживущего
нейтрального К-мезона: KM⁺ + + M^-
подавлен по сравнению с распадом К+->M⁺ + vв
10⁸ раз, а верхний предел для распада К⁺->п⁺
+ v, + v] составляет примерно 10-⁷ от полной
вероятности распада К-мезона. О ещё более сильной подавленности нейтральных
токов, изменяющих странность, свидетельствует наблюдённая на опыте малая
величина разности масс долгоживущего и короткоживущего нейтральных К-мезонов;
такая разность масс возникает за счёт перехода К°<=>К° и была бы очень
большой, если бы существовало прямое взаимодействие нейтральных токов (nЛ)
(nЛ). Для того чтобы в рамках теории объяснить отсутствие нейтральных
токов с изменением странности, было постулировано, что наряду с тремя кварками
р,
п, Л существует четвёртый кварк с, к-рый получил назв. "очарованного",
или ''суперзаряженного". При этом заряженный адронный ток, взаимодействующий
с W-бозонами, имеет вид:

а нейтральный адронный ток,
взаимодействующий с Z°-бозоном, переводит кварки сами в себя: он содержит
четыре слагаемых рр, пп, ЛЛ, сс и не содержит слагаемых типа nЛ
и, следовательно, сохраняет странность.

Если существуют с-кварки,
то должны существовать и адроны, содержащие эти кварки, т. н. "очарованные
адроны". Осенью 1974 С. Тинг с сотрудниками и Б. Рихтер с сотрудниками
(США) обнаружили мезоны с массами в 3,1 Гэв и 3,7 Гэв, к-рые,
возможно, являются состояниями типа сс. Если такая интерпретация
верна, то это открытие указывает на правильность стратегии, лежащей в основе
модели Вайнберга - Салама и ведущихся в настоящее время работ по созданию
единой теории слабых, электромагнитных и сильных взаимодействий.

Лит.: Паули В., Нарушение
зеркальной симметрии в законах атомной физики. К старой и новой теории
нейтрино, в сб.: Теоретическая физика 20 века, М., 1962, с. 376 - 418;
By Ц. С., М о ш к о в с к и й С. А., Бета-распад, пер. с англ., М., 1970;
Окунь Л. Б., Слабое взаимодействие элементарных частиц, М., 1963; Магshak
R. Е., Riazuddin, Ryan С. P., Theory of weak interactions in particle physics,
N. Y., 1969. Л. Б. Окунь.