stringtranslate.com

Взаимодействие Ферми


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

В физике элементарных частиц взаимодействие Ферми (также теория бета-распада Ферми или четырехфермионное взаимодействие Ферми ) является объяснением бета-распада , предложенным Энрико Ферми в 1933 году. [1] Теория постулирует четыре фермиона, напрямую взаимодействующих друг с другом (в одной вершине соответствующей диаграммы Фейнмана ). Это взаимодействие объясняет бета-распад нейтрона путем прямой связи нейтрона с электроном , нейтрино (позже определено, что это антинейтрино ) и протоном . [2]

Ферми впервые ввел эту связь в своем описании бета-распада в 1933 году. [3] Взаимодействие Ферми было предшественником теории слабого взаимодействия , в которой взаимодействие между протоном-нейтроном и электроном-антинейтрино осуществляется виртуальным W - бозоном , для которого теория Ферми является низкоэнергетической эффективной теорией поля .

По словам Юджина Вигнера , который вместе с Джорданом ввел преобразование Джордана–Вигнера , работа Ферми о бета-распаде была его главным вкладом в историю физики. [4]

История первоначального отклонения и последующей публикации

Ферми сначала представил свою «предварительную» теорию бета-распада в престижный научный журнал Nature , который отклонил ее, «потому что она содержала предположения, слишком далекие от реальности, чтобы представлять интерес для читателя». [5] [6] Утверждалось, что Nature позже признал отклонение одной из величайших редакторских ошибок в своей истории, но биограф Ферми Дэвид Н. Шварц возразил, что это и недоказано, и маловероятно. [7] Затем Ферми представил пересмотренные 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 первичной публикации на английском языке. [5] Английский перевод основополагающей статьи был опубликован в American Journal of Physics в 1968 году. [11]

Ферми нашел первоначальное отклонение статьи настолько тревожным, что он решил на некоторое время отойти от теоретической физики и заняться только экспериментальной физикой. Это вскоре привело к его знаменитой работе по активации ядер медленными нейтронами.

"Предварительный"

Определения

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

Электронное состояние

где — волновая функция одного электрона , — ее стационарные состояния .

это оператор, который уничтожает электрон в состоянии , действующем на пространство Фока как

это оператор создания электронного состояния

Состояние нейтрино

Сходным образом,

где — волновая функция одиночного нейтрино, а — ее стационарные состояния.

это оператор, который уничтожает нейтрино в состоянии , действующем в пространстве Фока как

— оператор рождения нейтринного состояния .

Состояние тяжелой частицы

— это оператор, введенный Гейзенбергом (позднее обобщенный в изоспин ), который действует на состояние тяжелой частицы , имеющее собственное значение +1, когда частица является нейтроном, и −1, если частица является протоном. Поэтому состояния тяжелой частицы будут представлены двухстрочными векторами-столбцами, где

представляет собой нейтрон, и

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

Операторы, преобразующие тяжелую частицу из протона в нейтрон и наоборот, соответственно представлены следующим образом:

и

соответственно является собственной функцией для нейтрона соответственно протона в состоянии .

Гамильтониан

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

где и — операторы энергии нейтрона и протона соответственно, так что если , , и если , .

где — энергия электрона в состоянии в кулоновском поле ядра, а — 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, представляющий собой превращение протона в нейтрон вместе с испусканием электрона и нейтрино (теперь известного как антинейтрино), а также член для обратного процесса; кулоновская сила между электроном и протоном игнорируется как не имеющая отношения к процессу -распада .

Ферми предлагает два возможных значения для : во-первых, нерелятивистскую версию, которая игнорирует спин:

и впоследствии версия, предполагающая, что легкие частицы являются четырехкомпонентными спинорами 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 , а является матрицей

Элементы матрицы

Состояние системы задается кортежем, где указывает , является ли тяжелая частица нейтроном или протоном, — квантовое состояние тяжелой частицы, — число электронов в состоянии и — число нейтрино в состоянии .

Используя релятивистскую версию , Ферми дает матричный элемент между состоянием с нейтроном в состоянии и без электронов, соответственно, нейтрино, присутствующими в состоянии , соответственно , и состоянием с протоном в состоянии и электроном и нейтрино, присутствующими в состояниях и , как

где интеграл берется по всему конфигурационному пространству тяжелых частиц (за исключением ). Определяется тем, является ли общее число легких частиц нечетным (−) или четным (+).

Вероятность перехода

Чтобы вычислить время жизни нейтрона в состоянии согласно обычной квантовой теории возмущений , вышеуказанные матричные элементы должны быть просуммированы по всем незанятым электронным и нейтринным состояниям. Это упрощается, если предположить, что собственные функции электрона и нейтрино и постоянны внутри ядра (т. е. их комптоновская длина волны намного больше размера ядра). Это приводит к

где и теперь оцениваются в положении ядра.

Согласно золотому правилу Ферми [ необходимы дополнительные пояснения ] , 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, в конечном итоге стремящаяся к бесконечности), получаем

где — масса покоя нейтрино, — матрица Дирака.

Отмечая, что вероятность перехода имеет острый максимум для значений для которых , это упрощается до [ необходимы дополнительные пояснения ]

где и — значения, для которых .

Ферми делает три замечания по поводу этой функции:

в вероятности перехода обычно величина равна 1, но в особых обстоятельствах она исчезает; это приводит к (приближенным) правилам отбора для -распада.

Запрещенные переходы

Как отмечено выше, когда внутреннее произведение между состояниями тяжелой частицы и обращается в нуль, соответствующий переход «запрещен» (или, скорее, гораздо менее вероятен, чем в случаях, когда оно ближе к 1).

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

Влияние

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

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

Дальнейшие события

Четырехфермионная теория Ферми описывает слабое взаимодействие на удивление хорошо. К сожалению, вычисленное поперечное сечение или вероятность взаимодействия растет как квадрат энергии . Поскольку это поперечное сечение растет неограниченно, теория недействительна при энергиях, намного превышающих примерно 100 ГэВ. Здесь G F — константа Ферми, которая обозначает силу взаимодействия. Это в конечном итоге привело к замене четырехфермионного контактного взаимодействия более полной теорией ( UV-дополнение ) — обменом W- или Z-бозоном , как объясняется в электрослабой теории .

Взаимодействие Ферми, показывающее 4-точечный фермионный векторный ток, связанный с константой связи Ферми G F. Теория Ферми была первой теоретической попыткой описать скорости ядерного распада для β-распада.

Взаимодействие также может объяснить распад мюона через связь 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 первоначальной теории Ферми предполагал, что форма взаимодействия — это контактное соединение двух векторных токов. Впоследствии Ли и Янг указали, что ничто не препятствует появлению аксиального, нарушающего четность тока, и это было подтверждено экспериментами, проведенными Цзянь-Шюн У. [ 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 нарушающих четность «разрешенных» распадов и сохраняющих четность «сверхразрешенных» распадов в терминах антипараллельных и параллельных состояний спина 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 ) четырехфермионного взаимодействия. [19] [20]

Константа Ферми

Наиболее точное экспериментальное определение константы Ферми происходит из измерений времени жизни мюона , которое обратно пропорционально квадрату G F (при пренебрежении массой мюона по отношению к массе W-бозона). [21] В современных терминах «редуцированная константа Ферми», то есть константа в натуральных единицах , равна [3] [22]

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

В Стандартной модели константа Ферми связана с ожидаемым значением вакуума Хиггса

. [23]

Более конкретно, приблизительно (уровень дерева для стандартной модели),

Это можно еще больше упростить в терминах угла Вайнберга, используя соотношение между W- и Z-бозонами с , так что

Ссылки

  1. ^ Yang, CN (2012). «Теория β-распада Ферми». Asia Pacific Physics Newsletter . 1 (1): 27–30. doi :10.1142/s2251158x12000045.
  2. ^ Фейнман, РП (1962). Теория фундаментальных процессов . WA Бенджамин . Главы 6 и 7.
  3. ^ ab Гриффитс, Д. (2009). Введение в элементарные частицы (2-е изд.). С. 314–315. ISBN 978-3-527-40601-2.
  4. ^ Ферми, Энрико (2004). Fermi Remembered . Издательство Чикагского университета. стр. 241-244. ISBN 0226121119.Под редакцией Джеймса У. Кронина .
  5. ^ ab Close, Frank (23 февраля 2012 г.). Neutrino . Oxford University Press. стр. 24. ISBN 978-0199695997.
  6. ^ Пайс, Абрахам (1986). Внутренние связи . Оксфорд: Oxford University Press. стр. 418. ISBN 0-19-851997-4.
  7. ^ Шварц, Дэвид Н. (2017). Последний человек, который знал все. Жизнь и времена Энрико Ферми, отца ядерного века . Базовые книги. ISBN 978-0465093120.Часть II, Раздел 8, примечания 60, 61, 63. По словам Шварца, не доказано, что журнал отозвал статью, поскольку архивы, относящиеся к тем годам, были утеряны во время переезда. Он утверждает, что маловероятно даже, что Ферми всерьез просил опубликовать ее в журнале, поскольку в то время Nature публиковал только короткие заметки о таких статьях и не подходил для публикации даже новой физической теории. Более подходящим, если вообще подходил, был бы Proceedings of the Royal Society .
  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. ^ ab Wilson, FL (1968). "Теория бета-распада Ферми". American Journal of Physics . 36 (12): 1150–1160. Bibcode : 1968AmJPh..36.1150W. doi : 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 др. Том II:1930–1939 . Springer-Verlag Berlin Heidelberg GmbH. стр. 250, письмо № 341, Гейзенберг Паули, 18 января 1934 г.
  13. ^ Браун, Лори М. (1996). Происхождение концепции ядерных сил . Издательство Института физики. Раздел 3.3. ISBN 978-0-7503-0373-6.
  14. ^ Юкава, Х. (1935). «О взаимодействии элементарных частиц. I». Труды физико-математического общества Японии . 17 : 1.
  15. ^ Мехра, Джагдиш (2001). Историческое развитие квантовой теории, том 6, часть 2 (1932–1941) . Springer. стр. 832.
  16. ^ Герштейн, С. С.; Зельдович, Я. Б. (1955). «Мезонные поправки в теории бета-распада». ЖЭТФ : 698–699.
  17. ^ Ли, ТД; Янг, КН (1956). «Вопрос сохранения четности в слабых взаимодействиях». Physical Review . 104 (1): 254–258. Bibcode :1956PhRv..104..254L. doi : 10.1103/PhysRev.104.254 .
  18. ^ Wu, CS; Ambler, E; Hayward, RW; Hoppes, DD; Hudson, RP (1957). «Экспериментальная проверка сохранения четности при бета-распаде». Physical Review . 105 (4): 1413–1415. Bibcode :1957PhRv..105.1413W. doi : 10.1103/PhysRev.105.1413 .
  19. ^ Фейнман, РП; Гелл-Манн, М. (1958). "Теория взаимодействия Ферми" (PDF) . Physical Review . 109 (1): 193. Bibcode : 1958PhRv..109..193F. doi : 10.1103/physrev.109.193.
  20. ^ Сударшан, EC; Маршак, RE (1958). «Инвариантность хиральности и универсальное взаимодействие Ферми». Physical Review . 109 (5): 1860. Bibcode : 1958PhRv..109.1860S. doi : 10.1103/physrev.109.1860.2.
  21. ^ Читвуд, ДБ; MuLan Collaboration; и др. (2007). «Улучшенное измерение времени жизни положительного мюона и определение константы Ферми». Physical Review Letters . 99 (3): 032001. arXiv : 0704.1981 . Bibcode :2007PhRvL..99c2001C. doi :10.1103/PhysRevLett.99.032001. PMID  17678280. S2CID  3255120.
  22. ^ "CODATA Value: Fermi coupling constant". Справочник NIST по константам, единицам и неопределенности . Национальный институт стандартов и технологий США . Июнь 2015 г. Получено 31 октября 2016 г.
  23. ^ Plehn, T.; Rauch, M. (2005). "Quartic Higgs coupling at hadron colliders". Physical Review D. 72 ( 5): 053008. arXiv : hep-ph/0507321 . Bibcode : 2005PhRvD..72e3008P. doi : 10.1103/PhysRevD.72.053008. S2CID  10737764.