stringtranslate.com

Взаимодействие Ферми


β
распад в атомном ядре (сопутствующее антинейтрино опущено). На вставке показан бета-распад свободного нейтрона. В обоих процессах промежуточная эмиссия виртуального
Вт
бозон
(который затем распадается на электрон и антинейтрино) не показан.

В физике элементарных частиц взаимодействие Ферми (также теория Ферми о бета-распаде или четырехфермионное взаимодействие Ферми ) является объяснением бета -распада , предложенным Энрико Ферми в 1933 году. [1] Теория постулирует, что четыре фермиона напрямую взаимодействуют друг с другом. (в одной вершине связанной диаграммы Фейнмана ). Это взаимодействие объясняет бета-распад нейтрона прямым взаимодействием нейтрона с электроном , нейтрино (позже определенным как антинейтрино ) и протоном . [2]

Ферми впервые представил эту связь в своем описании бета-распада в 1933 году. [3] Взаимодействие Ферми было предшественником теории слабого взаимодействия , где взаимодействие между протоном-нейтроном и электроном-антинейтрино опосредовано виртуальным W - бозоном. , из которых теория Ферми является низкоэнергетической эффективной теорией поля .

По мнению Юджина Вигнера , который вместе с Джорданом ввёл преобразование Джордана-Вигнера , статья Ферми о бета-распаде стала его главным вкладом в историю физики. [4]

История первоначального отклонения и более поздней публикации

Ферми впервые представил свою «предварительную» теорию бета-распада в престижный научный журнал Nature , который отверг ее, «поскольку она содержала предположения, слишком далекие от реальности, чтобы представлять интерес для читателя». [5] [6] Утверждалось, что Nature позже признала этот отказ одной из величайших редакционных ошибок в своей истории, но биограф Ферми Дэвид Н. Шварц возразил, что это недоказанно и маловероятно. [7] Затем Ферми представил исправленные версии статьи в итальянские и немецкие издания, которые приняли и опубликовали их на этих языках в 1933 и 1934 годах. [8] [9] [10] [11] В то время статья не появилась. в первичном издании на английском языке. [5] Английский перевод основополагающей статьи был опубликован в Американском журнале физики в 1968 году. [11]

Ферми настолько обеспокоил первоначальный отказ от статьи, что он решил на некоторое время отдохнуть от теоретической физики и заняться только экспериментальной физикой. Вскоре это привело к его знаменитой работе по активации ядер медленными нейтронами.

"Предположительно"

Определения

Теория рассматривает три типа частиц, предположительно находящихся в прямом взаимодействии: первоначально « тяжелая частица » в «нейтронном состоянии» ( ), которая затем переходит в свое «протонное состояние» ( ) с испусканием электрона и нейтрино. .

Электронное состояние

где – одноэлектронная волновая функция , – его стационарные состояния .

оператор, аннигилирующий электрон в состоянии , действующем на пространстве Фока как

является оператором создания электронного состояния

Состояние нейтрино

Сходным образом,

где – волновая функция одиночного нейтрино, – ее стационарные состояния.

— оператор, аннигилирующий нейтрино в состоянии , которое действует в пространстве Фока как

является оператором создания состояния нейтрино .

Состояние тяжелых частиц

— это оператор, введенный Гейзенбергом (позже обобщенный в изоспин ), который действует на состояние тяжелой частицы , собственное значение которого имеет +1, когда частица является нейтроном, и -1, если частица является протоном. Поэтому состояния тяжелых частиц будут представлены двухрядными векторами-столбцами, где

представляет собой нейтрон, и

представляет собой протон (в представлении где – обычная спиновая матрица ).

Операторы, превращающие тяжелую частицу из протона в нейтрон и наоборот, соответственно представляются формулами

и

соотв. является собственной функцией нейтрона соответственно. протон в состоянии .

гамильтониан

Гамильтониан состоит из трех частей: , представляющей энергию свободных тяжелых частиц, , представляющей энергию свободных легких частиц, и части, задающей взаимодействие .

где и – энергетические операторы нейтрона и протона соответственно, так что if , , и if , .

где – энергия электрона в состоянии в кулоновском поле ядра, – число электронов в этом состоянии; — число нейтрино в состоянии и энергия каждого такого нейтрино (предполагается, что оно находится в свободном состоянии плоской волны).

Часть взаимодействия должна содержать член, обозначающий превращение протона в нейтрон вместе с испусканием электрона и нейтрино (теперь известного как антинейтрино), а также член, обозначающий обратный процесс; Кулоновская сила между электроном и протоном игнорируется как не имеющая отношения к процессу -распада.

Ферми предлагает два возможных значения : во-первых, нерелятивистскую версию, игнорирующую спин:

а затем версия, предполагающая, что легкие частицы представляют собой четырехкомпонентные спиноры Дирака , но что скорость тяжелых частиц мала по сравнению с и что члены взаимодействия, аналогичные электромагнитному векторному потенциалу, можно игнорировать:

где и теперь являются четырехкомпонентными спинорами Дирака, представляет собой эрмитово сопряжение , и является матрицей

Матричные элементы

Состояние системы задается кортежем, где указывается , является ли тяжелая частица нейтроном или протоном, является квантовым состоянием тяжелой частицы, является числом электронов в состоянии и является числом нейтрино в состоянии .

Используя релятивистскую версию , Ферми дает матричный элемент между состоянием с нейтроном в состоянии и отсутствием электронов соответственно. нейтрино присутствуют в состоянии соотв. , а состояние с протоном в состоянии и электроном и нейтрино, присутствующими в состояниях и как

где интеграл берется по всему конфигурационному пространству тяжелых частиц (кроме ). Определяется тем, является ли общее количество легких частиц нечетным (-) или четным (+).

Вероятность перехода

Для расчета времени жизни нейтрона в состоянии по обычной квантовой теории возмущений приведенные выше матричные элементы необходимо просуммировать по всем незанятым электронным и нейтринным состояниям. Это упрощается, если предположить, что собственные функции электрона и нейтрино постоянны внутри ядра (т.е. их комптоновская длина волны намного меньше размера ядра). Это ведет к

где и теперь оцениваются в положении ядра.

Согласно золотому правилу Ферми ( требуется дальнейшее объяснение ) , вероятность этого перехода равна

где – разность энергий состояний протона и нейтрона.

Усредняя по всем направлениям спина/импульса нейтрино с положительной энергией (где – плотность состояний нейтрино, обращенная в итоге к бесконечности), получаем

где – масса покоя нейтрино, – матрица Дирака.

Принимая во внимание, что вероятность перехода имеет резкий максимум для значений , для которых это упрощается до [ необходимо дальнейшее объяснение ]

где и – значения, для которых .

Ферми делает три замечания по поводу этой функции:

при переходе вероятность обычно равна единице, но в особых обстоятельствах она исчезает; это приводит к (приблизительным) правилам отбора для -распада.

Запрещенные переходы

Как отмечалось выше, когда внутренний продукт между состояниями тяжелых частиц и обращается в нуль, соответствующий переход «запрещен» (или, скорее, гораздо менее вероятен, чем в случаях, когда он близок к 1).

Если описание ядра в терминах отдельных квантовых состояний протонов и нейтронов является точным с хорошим приближением, оно исчезает, если состояние нейтрона и состояние протона не имеют одинаковый угловой момент; в противном случае необходимо использовать полный угловой момент всего ядра до и после распада.

Влияние

Вскоре после появления статьи Ферми Вернер Гейзенберг в письме Вольфгангу Паули [12] отметил , что испускание и поглощение нейтрино и электронов в ядре должно, во втором порядке теории возмущений, приводить к притяжению между протонами и нейтронами, аналогично о том, как излучение и поглощение фотонов приводит к возникновению электромагнитной силы. Он обнаружил, что сила будет иметь вид , но современные экспериментальные данные привели к значению, которое было слишком маленьким в миллион раз. [13]

В следующем году эту идею подхватил Хидеки Юкава [14] , но в его теории нейтрино и электроны были заменены новой гипотетической частицей с массой покоя примерно в 200 раз тяжелее электрона . [15]

Более поздние события

Четырехфермионная теория Ферми замечательно описывает слабое взаимодействие . К сожалению, расчетное сечение или вероятность взаимодействия растет пропорционально квадрату энергии . Поскольку это сечение неограниченно растет, теория не справедлива при энергиях, намного превышающих примерно 100 ГэВ. Здесь G F — константа Ферми, обозначающая силу взаимодействия. В конечном итоге это привело к замене четырехфермионного контактного взаимодействия более полной теорией ( УФ-завершение ) — обменом W- или Z-бозоном , как это объясняется в электрослабой теории .

Взаимодействие Ферми, показывающее 4-точечный фермионный векторный ток, связанный константой связи Ферми GF . Теория Ферми была первой теоретической попыткой описать скорость ядерного распада β-распада.

Взаимодействие также могло бы объяснить распад мюона посредством взаимодействия мюона, электрона-антинейтрино, мюона-нейтрино и электрона с той же фундаментальной силой взаимодействия. Эта гипотеза была выдвинута Герштейном и Зельдовичем и известна как гипотеза сохранения векторного тока. [16]

В исходной теории Ферми предполагал, что формой взаимодействия является контактная связь двух векторных токов. Впоследствии Ли и Янг указали, что ничто не препятствует появлению осевого тока, нарушающего четность, и это было подтверждено экспериментами , проведенными Цзянь-Шюн Ву . [17] [18]

Включение нарушения четности во взаимодействие Ферми было сделано Джорджем Гамовым и Эдвардом Теллером в так называемых переходах Гамова – Теллера, которые описывали взаимодействие Ферми в терминах «разрешенных» распадов, нарушающих четность, и «сверхразрешенных» распадов, сохраняющих четность, в терминах антипараллельные и параллельные спиновые состояния электрона и нейтрино соответственно. До появления электрослабой теории и Стандартной модели Джордж Сударшан и Роберт Маршак , а также независимо Ричард Фейнман и Мюррей Гелл-Манн смогли определить правильную тензорную структуру ( вектор минус аксиальный вектор , VA ) из четырёх -фермионное взаимодействие. [19] [20]

постоянная Ферми

Наиболее точное экспериментальное определение константы Ферми достигается путем измерения времени жизни мюона , которое обратно пропорционально квадрату GF ( если пренебречь массой мюона относительно массы W-бозона). [21] Говоря современным языком, «приведенная константа Ферми», то есть константа в натуральных единицах , равна [3] [22]

Здесь gконстанта связи слабого взаимодействия , а M W — масса W-бозона , опосредующего рассматриваемый распад.

В Стандартной модели константа Ферми связана с вакуумным математическим ожиданием Хиггса.

. [23]

Точнее, примерно (уровень дерева для стандартной модели),

Это можно еще упростить с точки зрения угла Вайнберга, используя соотношение между бозонами W и Z с , так что

Рекомендации

  1. ^ Ян, Китай (2012). «Теория β-распада Ферми». Информационный бюллетень по физике Азиатско-Тихоокеанского региона . 1 (1): 27–30. дои : 10.1142/s2251158x12000045.
  2. ^ Фейнман, Р.П. (1962). Теория фундаментальных процессов . В. А. Бенджамин . Главы 6 и 7.
  3. ^ аб Гриффитс, Д. (2009). Введение в элементарные частицы (2-е изд.). стр. 314–315. ISBN 978-3-527-40601-2.
  4. ^ Ферми, Энрико (2004). Ферми вспомнил . Издательство Чикагского университета. п. 241-244. ISBN 0226121119.Под редакцией Джеймса В. Кронина .
  5. ↑ ab Close, Фрэнк (23 февраля 2012 г.). Нейтрино . Издательство Оксфордского университета. п. 24. ISBN 0199695997.
  6. ^ Паис, Авраам (1986). Внутренняя граница . Оксфорд: Издательство Оксфордского университета. п. 418. ИСБН 0-19-851997-4.
  7. ^ Шварц, Дэвид Н. (2017). Последний человек, который знал всё. Жизнь и времена Энрико Ферми, отца ядерного века . Основные книги. ISBN 0465093124.Часть II, раздел 8, примечания 60, 61, 63. По мнению Шварца, факт опровержения журнала не доказан, поскольку архивы, относящиеся к тем годам, были утеряны при переезде. Он утверждает, что даже маловероятно, чтобы Ферми всерьез просил о публикации в журнале, поскольку в то время Nature публиковала лишь краткие заметки к таким статьям и не была пригодна для публикации даже новой физической теории. Более подходящим, во всяком случае, были бы Труды Королевского общества .
  8. ^ Ферми, Э. (1933). «Предположение о теории вещей β». La Ricerca Scientifica (на итальянском языке). 2 (12).
  9. ^ Ферми, Э. (1934). «Предположение о теории вещей β». Il Nuovo Cimento (на итальянском языке). 11 (1): 1–19. Бибкод : 1934NCim...11....1F. дои : 10.1007/BF02959820. S2CID  123342095.
  10. ^ Ферми, Э. (1934). "Versuch einer Theorie der beta-Strahlen. I". Zeitschrift für Physik (на немецком языке). 88 (3–4): 161. Бибкод : 1934ZPhy...88..161F. дои : 10.1007/BF01351864. S2CID  125763380.
  11. ^ Аб Уилсон, Флорида (1968). «Теория бета-распада Ферми». Американский журнал физики . 36 (12): 1150–1160. Бибкод : 1968AmJPh..36.1150W. дои : 10.1119/1.1974382.Включает полный английский перевод статьи Ферми 1934 года на немецкий язык.
  12. ^ Паули, Вольфганг (1985). Научная переписка с Бором, Эйнштейном, Гейзенбергом и т. II: 1930–1939 . Шпрингер-Верлаг Берлин Гейдельберг ГмбХ. п. 250, письмо № 341, Гейзенберг Паули, 18 января 1934 г.
  13. ^ Браун, Лори М (1996). Происхождение понятия ядерных сил . Институт физического издательства. Раздел 3.3.
  14. ^ Юкава, Х. (1935). «О взаимодействии элементарных частиц. И.». Труды Физико-математического общества Японии . 17 :1.
  15. ^ Мехра, Джагдиш (2001). Историческое развитие квантовой теории, том 6, часть 2 (1932–1941) . Спрингер. п. 832.
  16. ^ Герштейн, СС; Зельдович, Я. Б. (1955). «Мезонные поправки в теории бета-распада». Ж. Эксп. Теор. Физ. : 698–699.
  17. ^ Ли, ТД; Ян, Китай (1956). «Вопрос о сохранении четности в слабых взаимодействиях». Физический обзор . 104 (1): 254–258. Бибкод : 1956PhRv..104..254L. дои : 10.1103/PhysRev.104.254 .
  18. ^ Ву, CS; Эмблер, Э; Хейворд, RW; Хоппс, Д.Д.; Хадсон, Р.П. (1957). «Экспериментальная проверка сохранения четности при бета-распаде». Физический обзор . 105 (4): 1413–1415. Бибкод : 1957PhRv..105.1413W. дои : 10.1103/PhysRev.105.1413 .
  19. ^ Фейнман, Р.П.; Гелл-Манн, М. (1958). «Теория ферми-взаимодействия» (PDF) . Физический обзор . 109 (1): 193. Бибкод : 1958PhRv..109..193F. дои : 10.1103/physrev.109.193.
  20. ^ Сударшан, ЕС; Маршак, Р.Э. (1958). «Киральная инвариантность и универсальное ферми-взаимодействие». Физический обзор . 109 (5): 1860. Бибкод : 1958PhRv..109.1860S. дои : 10.1103/physrev.109.1860.2.
  21. ^ Читвуд, Д.Б.; Сотрудничество Мулан; и другие. (2007). «Улучшенное измерение времени жизни положительного мюона и определение постоянной Ферми». Письма о физических отзывах . 99 (3): 032001. arXiv : 0704.1981 . Бибкод : 2007PhRvL..99c2001C. doi :10.1103/PhysRevLett.99.032001. PMID  17678280. S2CID  3255120.
  22. ^ «Значение CODATA: константа связи Ферми» . Справочник NIST по константам, единицам измерения и неопределенности . Национальный институт стандартов и технологий США . Июнь 2015 года . Проверено 31 октября 2016 г.
  23. ^ Плен, Т.; Раух, М. (2005). «Квартичная связь Хиггса на адронных коллайдерах». Физический обзор D . 72 (5): 053008. arXiv : hep-ph/0507321 . Бибкод : 2005PhRvD..72e3008P. doi : 10.1103/PhysRevD.72.053008. S2CID  10737764.