Нейтральный ток

Слабое взаимодействие частиц

Взаимодействия слабых нейтральных токов являются одним из способов, с помощью которых субатомные частицы могут взаимодействовать посредством слабой силы . Эти взаимодействия опосредованы Z-бозоном . Открытие слабых нейтральных токов стало значительным шагом на пути к объединению электромагнетизма и слабой силы в электрослабую силу и привело к открытию W- и Z-бозонов .

Проще говоря

Слабое взаимодействие наиболее известно по своей роли в ядерном распаде. Оно имеет очень короткий радиус действия, но (помимо гравитации) является единственной силой, взаимодействующей с нейтрино . Как и другие субатомные силы, слабое взаимодействие опосредовано обменными частицами. Возможно, наиболее известной из обменных частиц для слабого взаимодействия является частица W , которая участвует в бета-распаде . Частицы W имеют электрический заряд — существуют как положительные, так и отрицательные частицы W — однако бозон Z также является обменной частицей для слабого взаимодействия, но не имеет никакого электрического заряда.

Обмен Z-бозоном переносит импульс , спин и энергию , но оставляет квантовые числа взаимодействующих частиц неизменными – заряд, аромат , барионное число , лептонное число и т. д. Поскольку передача электрического заряда не происходит, обмен Z-частицами называется «нейтральным» в фразе «нейтральный ток». Однако слово «ток» здесь не имеет ничего общего с электричеством – оно просто относится к обмену Z-частицей. ^[1]

Взаимодействие нейтрального тока Z-бозона определяется производным квантовым числом, называемым слабым зарядом , которое действует аналогично слабому изоспину для взаимодействий с W-бозонами.

Определение

Нейтральный ток, давший название взаимодействию, — это ток взаимодействующих частиц.

Например, вклад нейтрального тока в
ν
_е
е⁻
→
ν
_е
е⁻
Амплитуда упругого рассеяния равна

${\displaystyle {\mathfrak {M}}^{\mathsf {NC}}~\propto ~J_{\mu }^{\mathsf {(NC)}}(\nu _{\mathrm {e} })\;J^{{\mathsf {(NC)}}\ \mu }(\mathrm {e^{-}} )\ ,}$

где нейтральные токи, описывающие поток нейтрино и электрона, определяются как: ^[2]

${\displaystyle J^{{\mathsf {(NC)}}\ \mu }(f)={\bar {u}}_{f}\ \gamma ^{\mu }\ {\frac {1}{2}}\left(g_{\mathsf {V}}^{f}-g_{\mathsf {A}}^{f}\ \gamma ^{5}\right)\ u_{f}\ ,}$

где: ^[2]

${\displaystyle g_{\mathsf {V}}^{f}=T_{3}(f)-2\sin ^{2}\theta _{\mathsf {W}}\ Q(f)={\frac {1}{2}}\ Q_{\mathsf {W}}(f)}$

и являются векторными и аксиальными связями для фермиона обозначает слабый изоспин фермионов, Q их электрический заряд и их слабый заряд . Эти связи по существу являются левохиральными для нейтрино и аксиальными для заряженных лептонов . ${\displaystyle \ g_{\mathsf {A}}^{f}=T_{3}(f)\ }$ ${\displaystyle \ f~.}$ ${\displaystyle \ T_{3}\ }$ ${\displaystyle \ Q_{\mathsf {W}}\ }$

Z-бозон может связываться с любой частицей Стандартной модели, за исключением глюонов и фотонов ( стерильные нейтрино также были бы исключением, если бы они были обнаружены). Однако любое взаимодействие между двумя заряженными частицами, которое может происходить посредством обмена виртуальным Z-бозоном, может также происходить посредством обмена виртуальным фотоном . Если только взаимодействующие частицы не имеют энергии порядка массы Z-бозона (91 ГэВ) или выше, обмен виртуальным Z-бозоном имеет эффект крошечной поправки к амплитуде электромагнитного процесса. ${\displaystyle \ (E/M_{\mathrm {Z} })^{2}\ ,}$

Ускорители частиц с энергиями, необходимыми для наблюдения взаимодействий нейтральных токов и измерения массы Z-бозона, появились только в 1983 году.

С другой стороны, взаимодействия Z-бозонов с участием нейтрино имеют отличительные признаки: они представляют собой единственный известный механизм упругого рассеяния нейтрино в веществе; нейтрино почти с такой же вероятностью рассеиваются упруго (через обмен Z-бозонами), как и неупруго (через обмен W-бозонами ), что имеет важное экспериментальное значение, например, в эксперименте в нейтринной обсерватории Садбери .

Слабые нейтральные токи были предсказаны электрослабой теорией, разработанной в основном Абдусом Саламом , Джоном Клайвом Уордом , Шелдоном Глэшоу и Стивеном Вайнбергом [ ^3] , и подтверждены вскоре после этого в 1973 году в нейтринном эксперименте в пузырьковой камере Гаргамель в ЦЕРНе .

Смотрите также

• Заряженный ток
• Вкус, меняющий нейтральный ток
• Колебание нейтральной частицы
• Электрический ток
• Квантовая хромодинамика
• Нейтринная обсерватория Садбери#Взаимодействие нейтральных токов
• Слабый заряд

Ссылки

1. Наве, Р. «Нейтральный ток». GSU.
2. "Lecture 11 - Weak Interactions" (PDF) . Физика элементарных частиц (конспект курса). Эдинбургский университет . стр. 7 . Получено 20 мая 2021 г. .
3. "Нобелевская премия по физике 1979 года". Нобелевский фонд . Получено 10 сентября 2008 г.

Внешние ссылки

• «Открытие слабых нейтральных токов». Курьер ЦЕРН . 3 октября 2004 г.
• "Gargamelle". CERN public web . Research. Архивировано из оригинала 2011-08-27 . Получено 2011-08-27 .
• «Взаимодействие нейтрального тока». Britannica.
• Наве, Р. «Нейтральный ток». GSU.
• Nieves, J.; Valverde, M.; Vicente Vacas, MJ (2006). "Charged and neutral current neutrino induced nucleon emit responses" (PDF) . Acta Physica Polonica B . 37 (8): 2295–2301. arXiv : hep-ph/0605221 . Bibcode :2006AcPPB..37.2295N. Архивировано из оригинала (PDF) 21 января 2012 г.
• "Гаргамель". Журнал Symmetry . 2009-07-07.
• Фрейзер, Гордон (3 ноября 1998 г.). «Двадцать пять лет нейтральных токов». CERN Courier . 27904. Гордон Фрейзер оглядывается назад на то, как подтверждение существования нейтральных токов положило начало новому пониманию физики.
• Фенкарт, Санье (3 июля 2023 г.). «Нейтринная одиссея ЦЕРНа». CERN Courier . Санье Фенкарт рассказывает об открытии нейтральных токов в 50-летний юбилей
• Падилла, Антонио (Тони). Брэди Харан (ред.). «Гаргамель и нейтральные токи». Шестьдесят символов . Ноттингемский университет .