Слабое взаимодействие

Это третье фундаментальное взаимодействие, действующее только в микромире. Оно ответственно за превращение элементарных частиц друг в друга и играет очень важную роль не только в микромире, но и во многих явлениях космического масштаба. Благодаря слабому взаимодействию происходят термоядерные реакции, без которых погасло бы Солнце и большинство звезд.

Первая теория слабого взаимодействия (четырехфермионная теория) была создана еще в 1934 г. Э. Ферми. В ней утверждалось, что слабое взаимодействие между частицами происходит контактно, посредством, так называемых слабых токов, а не через обмен квантами поля. Благодаря этим токам нейтроны могли превращаться в протоны, кварки одного вида – в кварки другого вида.

Уже в конце 50-х годов стало ясно, что данная теория несовершенна, поскольку сфера ее применения ограничивается только малыми энергиями частиц, участвующих во взаимодействии. Кроме того, теория резко констрастировала с господствующей картиной мира и не отвечала требованиям единообразия в описании всех физических взаимодействий.

Поэтому в 60-х годах независимо друг от друга С. Вайнберг и А. Солам решили, что трудности теории удастся преодолеть, если допустить, что слабое и электромагнитное взаимодействия – это разные проявления одного взаимодействия наподобие того, как электричество и магнетизм – два проявления единой сущности. Так появилась единая теория электрослабого взаимодействия, в рамках которой удалось построить модель слабого взаимодействия.

Теория электрослабого взаимодействия исходит из существования единого фундаментального заряда, отвечающего одновременно и за слабое, и за электромагнитное взаимодействия. При очень высоких температурах (энергиях), сравнимых с теми, которые существовали в первые мгновения существования Вселенной после Большого взрыва, структура вакуума нарушается, и она не может помешать проявлению такого заряда. Тогда слабое и электромагнитное взаимодействия сливаются воедино. При понижении температуры наступает критический момент, после которого вакуум переходит в иную, более упорядоченную форму. В результате заряд распадается на две части – электромагнитный и слабый заряд, а переносчик электрослабого взаимодействия – на четыре составляющих (фотон и три тяжелых векторных бозона).

Основанием для такого предположения стали экспериментальные данные, подтвеждающие, что с увеличением энергии частиц интенсивность слабого взаимодействия растет намного быстрее, чем интенсивность электромагнитного. Поэтому предположили, что при определенных условиях (огромном уровне энергии) эти интенсивности сравняются, тяжелые векторные бозоны не будут отличаться от фотонов, а взаимодействия сольются.

Кроме того, должно существовать еще одно постоянное поле, квантом которого является бозон Хиггса – очень массивная частица с нулевым спином. Считается, что именно взаимодействие с этим бозоном приводит к тому, что фотон остается безмассовым, а бозоны слабого взаимодействия получают массу. Правда, на опыте бозонов Хиггса пока не обнаружено. Но совершенной теоретической модели без хиггсовских бозонов создать не удается.

Объединение электромагнитного и слабого взаимодействия стало главным триумфом теоретической физики за последние три десятилетия XXвека. Единая теория электрослабого взаимодействия успешно описывает все процессы, происходящие при энергиях от долей электронвольта до сотен гигаэлектрон-вольт. Вместе теория электрослабого взаимодействия и квантовая хромодинамика (теория сильного взаимодействия) получили название Стандартной модели. Ее основные положения согласуются с результатами большинства экспериментов.