Träger der schwachen Wechselwirkung sind die Vektorbosonen W + , W− und Z 0 . Dabei wird die Wechselwirkung der sogenannten geladenen „schwachen“ Ströme und neutralen „schwachen“ Ströme unterschieden. Wechselwirkung geladener Ströme (unter Beteiligung geladener Bosonen W± ) führt zu einer Änderung der Teilchenladungen und zur Umwandlung einiger Leptonen und Quarks in andere Leptonen und Quarks. Wechselwirkung neutraler Ströme (unter Beteiligung eines neutralen Bosons Z 0 ) ändert die Teilchenladungen nicht und wandelt Leptonen und Quarks in die gleichen Teilchen um.

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  Unter Verwendung der Pauli-Hypothese entwickelte Enrico Fermi 1933 die erste Theorie des Beta-Zerfalls. Interessanterweise wurde seine Arbeit abgelehnt, in der Zeitschrift veröffentlicht zu werden Natur, was auf die übermäßige Abstraktheit des Artikels verweist. Fermis Theorie basiert auf der Anwendung der Methode der sekundären Quantisierung, ähnlich wie sie damals bereits auf die Prozesse der Emission und Absorption von Photonen angewendet wurde. Eine der in der Arbeit geäußerten Ideen war auch die Behauptung, dass die vom Atom emittierten Teilchen ursprünglich nicht darin enthalten waren, sondern im Prozess der Wechselwirkung geboren wurden.

  Lange Zeit wurde geglaubt, dass die Naturgesetze in Bezug auf Spiegelreflexion symmetrisch sind, dh das Ergebnis eines Experiments sollte dasselbe sein wie das Ergebnis eines Experiments, das an einer spiegelsymmetrischen Installation durchgeführt wird. Diese Symmetrie in Bezug auf die räumliche Inversion (die normalerweise als P) hängt mit der Gesetz Erhaltungs Parität zusammen. 1956 schlugen Yang Zhenning und Li Zongdao jedoch vor, während sie den Prozess des K-Meson-Zerfalls theoretisch betrachteten, dass die schwache Wechselwirkung diesem Gesetz möglicherweise nicht gehorche. Bereits 1957 bestätigte die Wu Jiansong-Gruppe diese Vorhersage in einem Betazerfallsexperiment, das Yang und Li 1957 den Nobelpreis für Physik einbrachte. Später wurde die gleiche Tatsache beim Zerfall des Myons und anderer Teilchen bestätigt.

  Um die neuen experimentellen Fakten zu erklären, entwickelten Murray Gell-Mann, Richard Feynman, Robert Marshak und George Sudarshan 1957 eine universelle Theorie der schwachen Vier-Fermion-Wechselwirkung, genannt v − EIN-Theorie.

  Um die größtmögliche Symmetrie der Wechselwirkungen zu erhalten, schlug L. D. Landau 1957 vor, dass obwohl P-Symmetrie ist in schwachen Wechselwirkungen gebrochen, kombinierte Symmetrie muss in ihnen erhalten bleiben CP- eine Kombination aus Spiegelung und Ersetzung von Teilchen durch Antiteilchen. 1964 fanden James-Cronin und Wahl-Fitch jedoch eine schwache Verletzung in den Zerfällen neutraler Kaonen CP-Parität. Auch für diese Verletzung stellte sich die schwache Wechselwirkung als verantwortlich heraus, außerdem sagte die Theorie in diesem Fall voraus, dass es neben den bis dahin bekannten zwei Generationen von Quarks und Leptonen noch mindestens eine weitere Generation geben sollte. Diese Vorhersage wurde erst 1975 mit der Entdeckung des Tau-Leptons und dann 1977 mit der Entdeckung des b-Quarks bestätigt. Cronin und Fitch erhielten 1980 den Nobelpreis für Physik.

  Eigenschaften

  An der schwachen Wechselwirkung sind alle fundamentalen Fermionen (Leptonen und Quarks) beteiligt. Dies ist die einzige Wechselwirkung, an der Neutrinos beteiligt sind (abgesehen von der im Labor vernachlässigbaren Schwerkraft), was die enorme Durchschlagskraft dieser Teilchen erklärt. Durch die schwache Wechselwirkung können Leptonen, Quarks und ihre Antiteilchen Energie, Masse, elektrische Ladung und Quantenzahlen austauschen – sich also ineinander verwandeln.

  Die schwache Kraft hat ihren Namen von der Tatsache, dass ihre charakteristische Intensität viel geringer ist als die des Elektromagnetismus. In der Elementarteilchenphysik wird die Intensität einer Wechselwirkung üblicherweise durch die Geschwindigkeit der durch diese Wechselwirkung verursachten Prozesse charakterisiert. Je schneller die Prozesse ablaufen, desto höher ist die Interaktionsintensität. Bei Energien wechselwirkender Teilchen in der Größenordnung von 1 GeV beträgt die charakteristische Geschwindigkeit von Prozessen aufgrund schwacher Wechselwirkung etwa 10 –10 s, was ungefähr 11 Größenordnungen höher ist als bei elektromagnetischen Prozessen, dh schwache Prozesse sind extrem langsame Prozesse .

  Ein weiteres Merkmal der Wechselwirkungsintensität ist die Länge freier Weg von Teilchen in einer Substanz. Um also ein fliegendes Hadron aufgrund starker Wechselwirkung zu stoppen, ist eine mehrere Zentimeter dicke Eisenplatte erforderlich. Und ein Neutrino, das nur an der schwachen Wechselwirkung teilnimmt, kann durch eine Milliarden Kilometer dicke Platte fliegen.

  Unter anderem hat die schwache Wechselwirkung einen sehr kleinen Aktionsradius - etwa 2·10 -18 m (das ist etwa 1000-mal kleiner als die Größe des Kerns). Aus diesem Grund spielt die schwache Wechselwirkung, obwohl sie viel intensiver ist als die Gravitation, deren Reichweite unbegrenzt ist, eine deutlich geringere Rolle. Beispielsweise ist die schwache Wechselwirkung selbst für Kerne, die sich in einer Entfernung von 10 −10 m befinden, nicht nur elektromagnetisch, sondern auch gravitativ schwächer.

  Dabei hängt die Intensität schwacher Prozesse stark von der Energie der wechselwirkenden Teilchen ab. Je höher die Energie, desto höher die Intensität. Aufgrund der schwachen Wechselwirkung zerfällt beispielsweise das Neutron, dessen Energiefreisetzung beim Beta-Zerfall etwa 0,8 MeV beträgt, in etwa 10 3 s und das Λ-Hyperon mit einer etwa hundertfach höheren Energiefreisetzung bereits in 10 −10 s. Gleiches gilt für energetische Neutrinos: Die Wirkungsquerschnitte für die Wechselwirkung mit einem Nukleon eines Neutrinos mit einer Energie von 100 GeV sind um sechs Größenordnungen größer als die eines Neutrinos mit einer Energie von etwa 1 MeV. Bei Energien in der Größenordnung von mehreren hundert GeV (im Schwerpunktsystem kollidierender Teilchen) wird die Intensität der schwachen Wechselwirkung jedoch vergleichbar mit der Energie der elektromagnetischen Wechselwirkung, wodurch sie beschrieben werden können einheitlich als elektroschwache Wechselwirkung.

  Die schwache Wechselwirkung ist die einzige der fundamentalen Wechselwirkungen, für die das Gesetz  Erhaltungs parität nicht gilt, was bedeutet, dass sich die Gesetze, denen schwache Prozesse gehorchen, ändern, wenn das System gespiegelt wird. Eine Verletzung des Paritätserhaltungssatzes führt dazu, dass nur die linken Teilchen (deren Spin dem Impuls entgegengesetzt gerichtet ist) einer schwachen Wechselwirkung unterliegen, nicht aber die rechten (deren Spin mit dem Impuls gleichgerichtet ist) und umgekehrt umgekehrt: die rechten Antiteilchen wechselwirken schwach, die linken sind inert.

  Zusätzlich zur räumlichen Parität bewahrt die schwache Wechselwirkung auch nicht die kombinierte Raumladungsparität, dh die einzige bekannte Wechselwirkung verletzt das Prinzip CP-Invarianz .

  Theoretische Beschreibung

  Fermi-Theorie

  Die erste Theorie der schwachen Wechselwirkung wurde in den 1930er Jahren von Enrico Fermi entwickelt. Seine Theorie basiert auf einer formalen Analogie zwischen dem Prozess des β-Zerfalls und den elektromagnetischen Prozessen der Photonenemission. Fermis Theorie basiert auf der Wechselwirkung der sogenannten Hadronen- und Leptonenströme. In diesem Fall wird im Gegensatz zum Elektromagnetismus angenommen, dass ihre Wechselwirkung Kontaktcharakter hat und nicht das Vorhandensein eines Trägers ähnlich einem Photon impliziert. In der modernen Notation wird die Wechselwirkung zwischen den vier Hauptfermionen (Proton, Neutron, Elektron und Neutrino) durch einen Operator der Form beschrieben

  G F 2 p ¯ ^ n ^ ⋅ e ¯ ^ ν ^ (\displaystyle (\frac (G_(F))(\sqrt (2)))(\hat (\overline (p)))(\hat (n) )\cdot (\hat (\overline (e)))(\hat (\nu ))),

  wo G F (\displaystyle G_(F))- die sogenannte  Fermi-Konstante, numerisch gleich etwa 10 −48 J/m³ oder 10 − 5 / m p 2 (\displaystyle 10^(-5)/m_(p)^(2)) (m p (\ displaystyle m_ (p))- Protonenmasse) in Einheiten, wo ℏ = c = 1 (\displaystyle \hbar =c=1); p ¯ ^ (\displaystyle (\hat (\overline (p))))- Protonenerzeugungsoperator (oder Antiprotonenvernichtung), n ^ (\displaystyle (\hat(n)))- Neutronenvernichtungsoperator (Antineutronenerzeugung), e ¯ ^ (\displaystyle (\hat (\overline (e))))- Operator der Elektronenerzeugung (Positronenvernichtung), ν ^ (\displaystyle (\hat (\nu )))- Neutrino-Vernichtungsoperator (Antineutrino-Erzeugung).

  Arbeit p ¯ ^ n ^ (\displaystyle (\hat (\overline (p)))(\hat (n))), der für die Umwandlung eines Neutrons in ein Proton verantwortlich ist, wurde Nukleonenstrom genannt, und e ¯ ^ ν ^ , (\displaystyle (\hat (\overline (e)))(\hat (\nu )),) Umwandlung eines Elektrons in ein Neutrino - Lepton. Es wird postuliert, dass diese Ströme, ähnlich wie elektromagnetische Ströme, 4-Vektoren sind p ¯ ^ γ μ n ^ (\displaystyle (\hat (\overline (p)))\gamma _(\mu )(\hat (n))) und e ¯ ^ γ μ ν ^ (\displaystyle (\hat (\overline (e)))\gamma _(\mu )(\hat (\nu ))) (γ μ , μ = 0 … 3 (\displaystyle \gamma _(\mu ),~\mu =0\dots 3)- Dirac-Matrizen). Daher wird ihre Wechselwirkung als Vektor bezeichnet.

  Der wesentliche Unterschied zwischen den durch Fermi eingeführten schwachen Strömen und den elektromagnetischen besteht darin, dass sie die Ladung der Teilchen ändern: Ein positiv geladenes Proton wird zu einem neutralen Neutron, und ein negativ geladenes Elektron wird zu einem neutralen Neutrino. In diesem Zusammenhang werden diese Ströme als geladene Ströme bezeichnet.

  Universelle VA-Theorie

  Die universelle Theorie der schwachen Wechselwirkung, auch genannt VA-Theorie, wurde 1957 von M. Gell-Mann, R. Feynman, R. Marshak und J. Sudarshan vorgeschlagen. Diese Theorie berücksichtigte die kürzlich bewiesene Tatsache der Paritätsverletzung ( P-Symmetrien) bei schwacher Wechselwirkung. Dazu wurden schwache Ströme als Summe des Vektorstroms dargestellt v und axial EIN(daher der Name der Theorie).

  Die Vektor- und Axialströme verhalten sich bei Lorentz-Transformationen genau gleich. Bei der räumlichen Inversion ist ihr Verhalten jedoch anders: Der Vektorstrom bleibt bei einer solchen Transformation unverändert, während der axiale Strom das Vorzeichen ändert, was zu einer Paritätsverletzung führt. Außerdem Strömungen v und EIN unterscheiden sich in der sogenannten Charge Parity (violate C-Symmetrie).

  Ebenso ist der hadronische Strom die Summe der Quarkströme aller Generationen ( u- oben, d- Unterseite, c- verzaubert s- seltsam, t- wahr, b- schöne Quarks):

  u ¯ ^ d ' ^ + c ¯ ^ s ' ^ + t ¯ ^ b ' ^ . (\displaystyle (\hat (\overline (u)))(\hat (d^(\prime )))+(\hat (\overline (c)))(\hat (s^(\prime ))) +(\hat (\overline (t)))(\hat (b^(\prime ))).)

  Anders als beim Leptonstrom sind hier jedoch die Operatoren d ′ ^ , (\displaystyle (\hat (d^(\prime))),) s ′ ^ (\displaystyle (\hat (s^(\prime)))) und b ′ ^ (\displaystyle (\hat (b^(\prime)))) sind eine Linearkombination von Operatoren d ^ , (\displaystyle (\hat (d)),) s ^ (\displaystyle (\hat(s))) und b ^ , (\displaystyle (\hat (b)),) das heißt, der Hadronenstrom enthält insgesamt nicht drei, sondern neun Terme. Diese Terme können zu einer einzigen 3×3-Matrix kombiniert werden, die als  Cabibbo -  Kobayashi -  Maskawa-Matrix bezeichnet wird. Diese Matrix kann mit drei Winkeln und einem Phasenfaktor parametriert werden. Letzteres charakterisiert den Grad der Verletzung CP-Invarianz in der schwachen Wechselwirkung.

  Alle Terme im geladenen Strom sind die Summe der Vektor- und Axialoperatoren mit Multiplikatoren gleich eins.

  L = G F 2 j w ^ j w † ^ , (\displaystyle (\mathcal (L))=(\frac (G_(F))(\sqrt (2)))(\hat (j_(w)))(\ Hut (j_(w)^(\dagger ))),)

  wo j w ^ (\displaystyle (\hat (j_(w)))) ist der geladene Stromoperator, und j w † ^ (\displaystyle (\hat (j_(w)^(\dagger))))- dazu konjugieren (erhalten durch Ersetzen e ¯ ^ ν e ^ → ν e ¯ ^ e ^ , (\displaystyle (\hat (\overline (e)))(\hat (\nu _(e)))\rightarrow (\hat (\overline (\ nu _(e)))(\hat (e)),) u ¯ ^ d ^ → d ¯ ^ u ^ (\displaystyle (\hat (\overline (u)))(\hat (d))\rightarrow (\hat (\overline (d)))(\hat (u ))) usw.)

  Theorie von Weinberg - Salam

  In der modernen Form wird die schwache Wechselwirkung als Teil einer einzelnen elektroschwachen Wechselwirkung im Rahmen der Weinberg-Salam-Theorie beschrieben. Dies ist eine Quantenfeldtheorie mit einer Eichgruppe SO(2)× U(1) und die spontan gebrochene Symmetrie des Vakuumzustands, die durch die Wirkung des Higgs-Boson-Felds verursacht wird. Der Nachweis der Renormierbarkeit eines solchen Modells durch Martinus Veltman und Gerard "t Hooft wurde 1999 mit dem Nobelpreis für Physik ausgezeichnet.

  In dieser Form ist die Theorie der schwachen Wechselwirkung im modernen Standardmodell enthalten, und sie ist die einzige Wechselwirkung, die Symmetrien bricht P und CP .

  Nach der Theorie der elektroschwachen Wechselwirkung ist die schwache Wechselwirkung kein Kontakt, sondern hat ihre eigenen Träger – Vektorbosonen W + , W− und Z 0 mit einer Masse ungleich Null und einem Spin gleich 1. Die Masse dieser Bosonen beträgt etwa 90 GeV / s², was eine kleine Reichweite schwacher Kräfte verursacht.

  In diesem Fall geladene Bosonen W± sind verantwortlich für die Wechselwirkung geladener Ströme und die Existenz eines neutralen Bosons Z 0 bedeutet auch das Vorhandensein von neutralen Strömen. Solche Ströme wurden tatsächlich experimentell entdeckt. Ein Beispiel für Wechselwirkungen mit ihrer Beteiligung ist insbesondere die elastische Streuung eines Neutrinos an einem Proton. Bei solchen Wechselwirkungen bleiben sowohl die Art der Teilchen als auch ihre Ladungen erhalten.

  Um die Wechselwirkung von neutralen Strömen zu beschreiben, muss die Lagrange-Funktion um einen Begriff der Form ergänzt werden

  L = G F ρ 2 2 f 0 ^ f 0 ^ , (\displaystyle (\mathcal (L))=(\frac (G_(F)\rho )(2(\sqrt (2))))(\hat ( f_(0)))(\hat (f_(0))),)

  wobei ρ ein dimensionsloser Parameter ist, der in der Standardtheorie gleich Eins ist (experimentell weicht er von Eins um nicht mehr als 1%) ab, f 0 ^ = ν e ¯ ^ ν e ^ + ⋯ + e ¯ ^ e ^ + ⋯ + u ¯ ^ u ^ + … (\displaystyle (\hat (f_(0)))=(\hat (\overline ( \nu _(e)))(\hat (\nu _(e)))+\dots +(\hat (\overline (e)))(\hat (e))+\dots +(\hat (\overline (u)))(\hat (u))+\dots )- selbstadjungierter neutraler Stromoperator.

  Im Gegensatz zu geladenen Strömen ist der neutrale Stromoperator diagonal, das heißt, er übersetzt Teilchen in sich selbst und nicht in andere Leptonen oder Quarks. Jeder der Terme des neutralen Stromoperators ist die Summe eines Vektoroperators mit einem Multiplikator und eines axialen Operators mit einem Multiplikator Ich 3 − 2 Q Sünde 2 ⁡ θ w (\displaystyle I_(3)-2Q\sin ^(2)\theta _(w)), wo Ich 3 (\displaystyle I_(3))- die dritte Projektion der sogenannten Schwachen

  Schwache Interaktion

  Starkes Zusammenspiel

  Die starke Wechselwirkung ist kurzreichweitig. Sein Aktionsradius beträgt ca. 10-13 cm.

  Die an der starken Wechselwirkung beteiligten Teilchen werden Hadronen genannt. In einer gewöhnlichen stabilen Substanz bei nicht zu hoher Temperatur verursacht eine starke Wechselwirkung keine Prozesse. Seine Aufgabe besteht darin, eine starke Bindung zwischen Nukleonen (Protonen und Neutronen) in Kernen herzustellen. Die Bindungsenergie beträgt durchschnittlich etwa 8 MeV pro Nukleon. In diesem Fall führt eine starke Wechselwirkung bei Kollisionen von Kernen oder Nukleonen mit ausreichend hoher Energie (in der Größenordnung von Hunderten von MeV) zu zahlreichen Kernreaktionen: Spaltung von Kernen, Umwandlung einiger Kerne in andere usw.

  Beginnend mit Energien kollidierender Nukleonen in der Größenordnung von mehreren hundert MeV führt die starke Wechselwirkung zur Produktion von P-Mesonen. Bei noch höheren Energien entstehen K-Mesonen und Hyperonen und viele Mesonen- und Baryonenresonanzen (Resonanzen sind kurzlebige angeregte Zustände von Hadronen).

  Gleichzeitig stellte sich heraus, dass nicht alle Teilchen eine starke Wechselwirkung erfahren. Es wird also von Protonen und Neutronen erfahren, aber Elektronen, Neutrinos und Photonen unterliegen ihm nicht. An der starken Wechselwirkung sind in der Regel nur schwere Teilchen beteiligt.

  Die theoretische Erklärung der Natur der starken Wechselwirkung war schwierig zu entwickeln. Ein Durchbruch wurde erst in den frühen 1960er Jahren skizziert, als das Quark-Modell vorgeschlagen wurde. In dieser Theorie werden Neutronen und Protonen nicht als Elementarteilchen, sondern als zusammengesetzte Systeme aus Quarks betrachtet.

  Die starken Wechselwirkungsquanten sind acht Gluonen. Gluonen haben ihren Namen vom englischen Wort glue (glue) bekommen, weil sie für den Einschluss von Quarks verantwortlich sind. Die Ruhemassen von Gluonen sind gleich Null. Gleichzeitig haben Gluonen eine Farbladung, aufgrund derer sie in der Lage sind, miteinander zu interagieren, wie sie sagen, der Selbstaktion, was aufgrund ihrer Nichtlinearität zu Schwierigkeiten führt, die starke Wechselwirkung mathematisch zu beschreiben.

  Sein Aktionsradius beträgt weniger als 10-15 cm.Schwache Wechselwirkung ist um mehrere Größenordnungen schwächer als nicht nur stark, sondern auch elektromagnetisch. Gleichzeitig ist sie viel stärker als die Gravitation im Mikrokosmos.

  Der erste entdeckte und am weitesten verbreitete Prozess, der durch die schwache Wechselwirkung verursacht wird, ist der radioaktive b-Zerfall von Kernen.
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  Diese Art von Radioaktivität wurde 1896 von A.A. Becquerel.em. Im Prozess des radioaktiven elektronischen Zerfalls / b - - / zerfällt eines der Neutronen / n/ Atomkern wird zum Proton / R/ mit Elektronenemission / e-/ und elektronisches Antineutrino //:

  n ® p + e-+

  Beim Zerfall des Positrons /b + -/ tritt ein Übergang auf:

  p® n + e++

  In der ersten Theorie des b-Zerfalls, die 1934 von E. Fermi entwickelt wurde, musste zur Erklärung dieses Phänomens eine Hypothese über die Existenz einer speziellen Art von Kräften mit kurzer Reichweite eingeführt werden, die den Übergang verursachen

  n ® p + e-+

  Weitere Untersuchungen zeigten, dass die von Fermi eingeführte Wechselwirkung einen universellen Charakter hat.
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  Es bewirkt den Zerfall aller instabilen Teilchen, deren Massen und Auswahlregeln für Quantenzahlen es ihnen nicht erlauben, aufgrund starker oder elektromagnetischer Wechselwirkung zu zerfallen. Schwache Wechselwirkung ist allen Teilchen eigen, mit Ausnahme von Photonen. Die charakteristische Zeit der schwachen Wechselwirkungsprozesse bei Energien in der Größenordnung von 100 MeV ist 13–14 Größenordnungen länger als die charakteristische Zeit für die starke Wechselwirkung.

  Schwache Wechselwirkungsquanten sind drei Bosonen - W + , W − , Z°- Bosonen. Hochgestellte Zeichen geben das Vorzeichen der elektrischen Ladung dieser Quanten an. Die Quanten der schwachen Wechselwirkung haben eine erhebliche Masse, was dazu führt, dass sich die schwache Wechselwirkung in sehr kurzen Abständen manifestiert.

  Dabei ist zu berücksichtigen, dass die schwache und die elektromagnetische Wechselwirkung heute bereits in einer einzigen Theorie zusammengefasst sind. Es gibt eine Reihe theoretischer Schemata, in denen versucht wird, eine einheitliche Theorie aller Interaktionstypen zu erstellen. Diese Schemata sind jedoch noch nicht weit genug entwickelt, um experimentell getestet zu werden.

  26. Bauphysik. Korpuskulärer Ansatz zur Beschreibung und Erklärung der Natur. Reduktionismus

  Die Objekte der Strukturphysik sind Elemente der Struktur der Materie (z. B. Moleküle, Atome, Elementarteilchen) und komplexere Bildung von ihnen. Das:

  1) Plasma- es ist ein Gas, in dem ein erheblicher Teil der Moleküle oder Atome ionisiert ist;

  2) Kristalle- dies sind Festkörper, in denen Atome oder Moleküle geordnet angeordnet sind und eine sich periodisch wiederholende innere Struktur bilden;

  3) Flüssigkeiten- dies ist der Aggregatzustand der Materie, ĸᴏᴛᴏᴩᴏᴇ vereint die Eigenschaften eines festen (Volumenerhalt, eine gewisse Zugfestigkeit) und gasförmigen (Formvariabilität).

  Flüssigkeiten sind gekennzeichnet durch:

  a) Nahordnung in der Anordnung von Teilchen (Moleküle, Atome);

  b) ein kleiner Unterschied in der kinetischen Energie der thermischen Bewegung und ihrer potentiellen Wechselwirkungsenergie.

  4) Sterne,ᴛ.ᴇ. leuchtende Gas (Plasma) Kugeln.

  Beim Hervorheben der Strukturgleichungen der Materie werden die folgenden Kriterien verwendet:

  Räumliche Dimensionen: Teilchen der gleichen Ebene haben räumliche Dimensionen der gleichen Größenordnung (zum Beispiel haben alle Atome Dimensionen in der Größenordnung von 10 –8 cm);

  Die Zeit der Prozesse: Auf einer Ebene ist es ungefähr die gleiche Reihenfolge;

  Objekte der gleichen Ebene bestehen aus den gleichen Elementen (z. B. bestehen alle Kerne aus Protonen und Neutronen);

  Die Gesetze, die Prozesse auf einer Ebene erklären, unterscheiden sich qualitativ von den Gesetzen, die Prozesse auf einer anderen Ebene erklären;

  Objekte verschiedener Ebenen unterscheiden sich in grundlegenden Eigenschaften (z. B. sind alle Atome elektrisch neutral und alle Kerne positiv elektrisch geladen).

  Mit der Entdeckung neuer Strukturebenen und Materiezustände erweitert sich der Gegenstandsbereich der Strukturphysik.

  Dabei ist zu beachten, dass bei der Lösung konkreter physikalischer Probleme die Fragen der Struktur-, Wechselwirkungs- und Bewegungsaufklärung eng miteinander verflochten sind.

  Der Strukturphysik liegt der korpuskulare Ansatz zur Beschreibung und Erklärung der Natur zugrunde.

  Der Begriff des Atoms als letztes und unteilbares Teilchen des Körpers entstand erstmals im antiken Griechenland im Rahmen der naturphilosophischen Lehre der Schule des Leukippos-Demokrit. Nach dieser Ansicht gibt es auf der Welt nur Atome, die sich im Nichts bewegen. Die alten Atomisten hielten die Kontinuität der Materie für offensichtlich. Verschiedene Kombinationen von Atomen bilden verschiedene sichtbare Körper. Diese Hypothese basierte nicht auf experimentellen Daten. Sie war nur eine brillante Vermutung. Aber sie bestimmte die gesamte Weiterentwicklung der Naturwissenschaft für viele Jahrhunderte.

  Die Hypothese von Atomen als unteilbaren Materieteilchen wurde in den Naturwissenschaften wiederbelebt, insbesondere in Physik und Chemie, um einige Muster zu erklären, die empirisch festgestellt wurden (z. B. die Gesetze von Boyle-Mariotte und Gay-Lussac für ideale Gase, thermische Ausdehnung von Körpern usw.) d.). Tatsächlich besagt das Gesetz von Boyle-Mariotte, dass das Volumen eines Gases umgekehrt proportional zu seinem Druck ist, aber es erklärt nicht, warum dies so ist. Auch wenn ein Körper erhitzt wird, nehmen seine Abmessungen zu. Aber was ist der Grund für diese Erweiterung? In der kinetischen Theorie der Materie werden diese und andere durch Erfahrung festgestellte Gesetzmäßigkeiten mit Hilfe von Atomen und Molekülen erklärt.

  Tatsächlich wird die direkt beobachtete und gemessene Abnahme des Gasdrucks bei Zunahme seines Volumens in der kinetischen Theorie der Materie als Zunahme der freien Weglänge seiner konstituierenden Atome und Moleküle erklärt. Dadurch nimmt das vom Gas eingenommene Volumen zu. In ähnlicher Weise wird die Ausdehnung von Körpern bei Erwärmung in der kinetischen Theorie der Materie durch eine Zunahme der Durchschnittsgeschwindigkeit sich bewegender Moleküle erklärt.

  Erklärungen, in denen versucht wird, die Eigenschaften komplexer Stoffe oder Körper auf die Eigenschaften ihrer einfacheren Elemente oder Bestandteile zu reduzieren Reduktionismus. Diese Analysemethode ermöglichte die Lösung einer großen Klasse von Problemen in den Naturwissenschaften.

  Bis Ende des 19. Jahrhunderts. Man glaubte, dass das Atom das kleinste, unteilbare, strukturlose Teilchen der Materie ist. Gleichzeitig zeigten die Entdeckungen der Elektron-Radioaktivität, dass dem nicht so ist. Rutherfords Planetenmodell des Atoms entsteht. Dann wird es durch das Modell N. Bora ersetzt. Aber nach wie vor zielt das Denken der Physiker darauf ab, die ganze Vielfalt komplexer Eigenschaften von Körpern und Naturphänomenen auf die einfachen Eigenschaften weniger Primärteilchen zu reduzieren. Anschließend wurden diese Teilchen benannt elementar. Jetzt übersteigt ihre Gesamtzahl 350. Aus diesem Grund ist es unwahrscheinlich, dass alle diese Partikel als wirklich elementar bezeichnet werden können und keine anderen Elemente enthalten. Dieser Glaube wird im Zusammenhang mit der Hypothese der Existenz von Quarks verstärkt. Demnach bestehen bekannte Elementarteilchen aus Teilchen mit gebrochener elektrischer Ladung. Sie heißen Quarks.

  Je nach Art der Wechselwirkung, an der Elementarteilchen beteiligt sind, werden alle mit Ausnahme des Photons in zwei Gruppen eingeteilt:

  1) Hadronen. Es ist erwähnenswert, dass sie durch das Vorhandensein einer starken Wechselwirkung gekennzeichnet sind. Gleichzeitig können sie auch an schwachen und elektromagnetischen Wechselwirkungen teilnehmen;

  2) Leptonen. Οʜᴎ nehmen nur an elektromagnetischen und schwachen Wechselwirkungen teil;

  Nach der Lebensdauer werden unterschieden:

  a) stabile Elementarteilchen. Dies sind das Elektron, Photon, Proton und Neutrino;

  b) quasistabil. Dies sind Teilchen, die aufgrund elektromagnetischer und schwacher Wechselwirkungen zerfallen. Zum Beispiel zu + ® m + +;

  c) instabil. Οʜᴎ Zerfall aufgrund starker Wechselwirkung, zum Beispiel, Neutron.

  Die elektrische Ladung von Elementarteilchen ist ein Vielfaches der kleinsten Ladung, die einem Elektron innewohnt. Gleichzeitig werden Elementarteilchen in Paare von Teilchen - Antiteilchen unterteilt, zum Beispiel e - - e + (sie haben alle die gleichen Eigenschaften und die Vorzeichen der elektrischen Ladung sind entgegengesetzt). Auch elektrisch neutrale Teilchen haben Antiteilchen, z. P -,- .

  Das atomistische Konzept basiert also auf dem Konzept der diskreten Struktur der Materie. Der atomistische Ansatz erklärt die Eigenschaften eines physikalischen Objekts auf der Grundlage der Eigenschaften seiner kleinsten Teilchen, die auf einer bestimmten Erkenntnisstufe als unteilbar gelten. Historisch wurden solche Teilchen zuerst als Atome, dann als Elementarteilchen und jetzt als Quarks erkannt. Die Schwierigkeit dieses Ansatzes ist die vollständige Reduktion des Komplexen auf das Einfache, die die qualitativen Unterschiede zwischen ihnen nicht berücksichtigt.

  Bis zum Ende des ersten Viertels des 20. Jahrhunderts wurde die Idee der Einheit der Struktur von Makro- und Mikrokosmos mechanistisch verstanden, als die vollständige Identität der Gesetze und die vollständige Ähnlichkeit der Struktur beider.

  Mikropartikel wurden als Miniaturkopien von Makrokörpern interpretiert, ᴛ.ᴇ. als extrem kleine Kugeln (Körperchen), die sich entlang präziser Umlaufbahnen bewegen, die den Umlaufbahnen von Planeten völlig analog sind, mit dem einzigen Unterschied, dass Himmelskörper durch gravitative Wechselwirkungskräfte und Mikropartikel durch elektrische Wechselwirkungskräfte verbunden sind.

  Nach der Entdeckung des Elektrons (Thomson, 1897 ᴦ.), der Entstehung der Quantentheorie (Planck, 1900 ᴦ.), der Einführung des Photonenbegriffs (Einstein, 1905 ᴦ.), erhielt die Atomlehre einen neuen Charakter .
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  Die Idee der Diskretion wurde auf das Gebiet der elektrischen und Lichtphänomene, auf den Energiebegriff ausgedehnt (im 19. Jahrhundert diente die Energielehre als Repräsentationssphäre kontinuierlicher Größen und Zustandsfunktionen). Das wichtigste Merkmal der modernen Atomlehre ist der Atomismus des Handelns. Es hängt damit zusammen, dass die Bewegung, Eigenschaften und Zustände verschiedener Mikroobjekte quantisiert werden können, ᴛ.ᴇ. werden in Form von diskreten Größen und Verhältnissen ausgedrückt. Die neue Atomistik erkennt die relative Stabilität jeder diskreten Art von Materie an, ihre qualitative Gewissheit, ihre relative Unteilbarkeit und Irreversibilität innerhalb bestimmter Grenzen natürlicher Phänomene. Zum Beispiel ist das Atom, da es auf gewisse physikalische Weise teilbar ist, chemisch unteilbar, ᴛ.ᴇ. in chemischen Prozessen verhält es sich wie etwas Ganzes, Unteilbares. Ein Molekül, das chemisch in Atome teilbar ist, verhält sich in thermischer Bewegung (bis zu gewissen Grenzen) als Ganzes, unteilbar usw.

  Besonders wichtig im Konzept der neuen Atomistik ist die Anerkennung der gegenseitigen Konvertierbarkeit beliebiger diskreter Arten von Materie.

  Verschiedene Ebenen der strukturellen Organisation der physikalischen Realität (Quarks, Mikropartikel, Kerne, Atome, Moleküle, Makrokörper, Megasysteme) haben ihre eigenen spezifischen physikalischen Gesetzmäßigkeiten. Aber ganz gleich, wie sich die untersuchten Phänomene von den Phänomenen unterscheiden, die von der klassischen Physik untersucht werden, alle experimentellen Daten müssen mit klassischen Konzepten beschrieben werden. Es besteht ein grundlegender Unterschied zwischen der Beschreibung des Verhaltens des untersuchten Mikroobjekts und der Beschreibung der Funktionsweise von Messgeräten. Dies ergibt sich aus der Tatsache, dass die Bedienung von Messgeräten grundsätzlich in der Sprache der klassischen Physik beschrieben werden sollte, der Untersuchungsgegenstand jedoch nicht in dieser Sprache beschrieben werden darf.

  Der korpuskuläre Ansatz zur Erklärung physikalischer Phänomene und Prozesse wurde seit dem Aufkommen der Wechselwirkungsphysik immer mit dem Kontinuum-Ansatz kombiniert. Es drückte sich im Konzept des Feldes und der Offenlegung seiner Rolle in der physikalischen Interaktion aus. Die Darstellung des Feldes als Strömung einer bestimmten Art von Teilchen (Quantenfeldtheorie) und die Zuordnung von Welleneigenschaften zu beliebigen physikalischen Objekten (Louis de Broglies Hypothese) kombinierten diese beiden Ansätze zur Analyse physikalischer Phänomene.

  Schwache Interaktion - Konzept und Typen. Einstufung und Merkmale der Kategorie „Schwache Interaktion“ 2017, 2018.

  Die Zeit ist wie ein Fluss, der Ereignisse trägt, die vorbeiziehen, und ihre Strömung ist stark; nur etwas wird deinen Augen erscheinen - und es wurde bereits weggetragen, und etwas anderes ist sichtbar, das auch bald weggetragen wird.

  Markus Aurel

  Jeder von uns strebt danach, ein vollständiges Bild der Welt zu schaffen, einschließlich eines Bildes des Universums, von den kleinsten subatomaren Teilchen bis zu den größten Maßstäben. Aber die Gesetze der Physik sind manchmal so seltsam und kontraintuitiv, dass diese Aufgabe für diejenigen, die keine professionellen theoretischen Physiker geworden sind, überwältigend werden kann.

  Der Leser fragt:
  

  Das ist zwar keine Astronomie, aber vielleicht verrätst du es mir. Die starke Kraft wird von Gluonen getragen und bindet Quarks und Gluonen aneinander. Elektromagnetisch wird von Photonen getragen und bindet elektrisch geladene Teilchen. Die Schwerkraft wird angeblich von Gravitonen getragen und bindet alle Teilchen an Masse. Das Schwache wird von den W- und Z-Teilchen getragen und … ist auf Zerfall zurückzuführen? Warum wird die schwache Kraft so beschrieben? Ist die schwache Kraft für die Anziehung und/oder Abstoßung von Partikeln verantwortlich? Und was? Und wenn nicht, warum ist dies dann eine der fundamentalen Wechselwirkungen, wenn sie mit keinerlei Kräften verbunden ist? Danke.

  
  Werfen wir einen Blick auf die Grundlagen. Es gibt vier grundlegende Kräfte im Universum - Schwerkraft, Elektromagnetismus, starke Kernkraft und schwache Kernkraft.
  
  

  Und all das sind Wechselwirkungen, Kräfte. Bei Teilchen, deren Zustand gemessen werden kann, ändert die Anwendung einer Kraft ihren Impuls – im gewöhnlichen Leben spricht man in solchen Fällen von Beschleunigung. Und für drei dieser Kräfte gilt dies.

  Im Fall der Schwerkraft verzerrt die Gesamtmenge an Energie (hauptsächlich Masse, aber das schließt die gesamte Energie ein) die Raumzeit, und die Bewegung aller anderen Teilchen ändert sich in Gegenwart von allem, was Energie hat. So funktioniert es in der klassischen (nicht Quanten-) Gravitationstheorie. Vielleicht gibt es eine allgemeinere Theorie, die Quantengravitation, bei der es einen Austausch von Gravitonen gibt, was zu dem führt, was wir als Gravitationswechselwirkung beobachten.

  Bevor Sie fortfahren, verstehen Sie bitte Folgendes:

  1. Teilchen haben eine Eigenschaft oder etwas, das ihnen innewohnt, das es ihnen ermöglicht, eine bestimmte Art von Kraft zu spüren (oder nicht zu spüren).
  2. Andere wechselwirkungstragende Teilchen interagieren mit dem ersten
  3. Als Ergebnis von Wechselwirkungen ändern Teilchen ihren Impuls oder beschleunigen sich

  Beim Elektromagnetismus ist die Haupteigenschaft die elektrische Ladung. Im Gegensatz zur Schwerkraft kann sie positiv oder negativ sein. Ein Photon, ein Teilchen, das eine mit einer Ladung verbundene Wechselwirkung trägt, führt dazu, dass sich gleiche Ladungen abstoßen und unterschiedliche anziehen.

  Es ist erwähnenswert, dass sich bewegende Ladungen oder elektrische Ströme eine andere Manifestation des Elektromagnetismus erfahren - Magnetismus. Dasselbe passiert mit der Schwerkraft und wird Gravitomagnetismus (oder Gravitoelektromagnetismus) genannt. Wir werden nicht tief gehen - der Punkt ist, dass es nicht nur eine Ladung und einen Kraftträger gibt, sondern auch Strömungen.

  Es gibt auch eine starke Kernkraft, die drei Arten von Ladungen hat. Obwohl alle Teilchen Energie haben und alle der Schwerkraft unterliegen, und obwohl Quarks, die Hälfte der Leptonen und ein paar Bosonen elektrische Ladungen enthalten, haben nur Quarks und Gluonen eine Farbladung und können die starke Kernkraft erfahren.

  Es gibt überall viele Massen, sodass die Schwerkraft leicht zu beobachten ist. Und da die starke Kraft und der Elektromagnetismus ziemlich stark sind, sind sie auch leicht zu beobachten.

  Aber was ist mit dem letzten? Schwache Interaktion?

  Wir sprechen normalerweise im Zusammenhang mit radioaktivem Zerfall darüber. Ein schweres Quark oder Lepton zerfällt in leichtere und stabilere. Ja, die schwache Kraft hat etwas damit zu tun. Aber in diesem Beispiel unterscheidet es sich irgendwie von den anderen Kräften.

  Es stellt sich heraus, dass die schwache Kraft auch eine Kraft ist, über die nur nicht oft gesprochen wird. Sie ist schwach! 10.000.000 Mal schwächer als Elektromagnetismus in einer Entfernung, die dem Durchmesser eines Protons entspricht.

  Ein geladenes Teilchen hat immer eine Ladung, egal ob es sich bewegt oder nicht. Der von ihm erzeugte elektrische Strom hängt jedoch von seiner Bewegung relativ zu anderen Teilchen ab. Strom bestimmt den Magnetismus, der genauso wichtig ist wie der elektrische Teil des Elektromagnetismus. Zusammengesetzte Teilchen wie das Proton und das Neutron haben signifikante magnetische Momente, genau wie das Elektron.

  Quarks und Leptonen gibt es in sechs Geschmacksrichtungen. Quarks - top, bottom, strange, charmed, charmant, true (entsprechend ihrer lateinischen Buchstabenbezeichnung u, d, s, c, t, b - up, down, strange, charm, top, bottom). Leptonen - Elektron, Elektron-Neutrino, Myon, Myon-Neutrino, Tau, Tau-Neutrino. Jeder von ihnen hat eine elektrische Ladung, aber auch einen Geschmack. Wenn wir Elektromagnetismus und die schwache Kraft kombinieren, um die elektroschwache Kraft zu erhalten, dann hat jedes der Teilchen eine Art schwache Ladung oder einen elektroschwachen Strom und eine schwache Kraftkonstante. All dies ist im Standardmodell beschrieben, aber es war ziemlich schwierig, dies zu überprüfen, weil der Elektromagnetismus so stark ist.

  In einem neuen Experiment, dessen Ergebnisse kürzlich veröffentlicht wurden, wurde erstmals der Beitrag der schwachen Wechselwirkung gemessen. Das Experiment ermöglichte es, die schwache Wechselwirkung von Up- und Down-Quarks zu bestimmen

  Und die schwachen Ladungen von Proton und Neutron. Die Vorhersagen des Standardmodells für schwache Ladungen waren:

  Q W (p) = 0,0710 ± 0,0007,
  Q W (n) = -0,9890 ± 0,0007.

  Und nach den Streuergebnissen ergab das Experiment folgende Werte:

  Q W (p) = 0,063 ± 0,012,
  Q W (n) = -0,975 ± 0,010.

  Was unter Berücksichtigung des Fehlers sehr gut mit der Theorie übereinstimmt. Experimentatoren sagen, dass sie durch die Verarbeitung von mehr Daten den Fehler weiter reduzieren werden. Und wenn es Überraschungen oder Abweichungen zum Standardmodell gibt, ist das cool! Aber nichts deutet darauf hin:

  Daher haben Teilchen eine schwache Ladung, aber wir erweitern sie nicht, da sie unrealistisch schwer zu messen ist. Aber wir haben es trotzdem getan und offenbar das Standardmodell bekräftigt.

  Diese Wechselwirkung ist die schwächste der fundamentalen Wechselwirkungen, die experimentell beim Zerfall von Elementarteilchen beobachtet wurden, wo Quanteneffekte von grundlegender Bedeutung sind. Erinnern Sie sich daran, dass Quantenmanifestationen der Gravitationswechselwirkung nie beobachtet wurden. Schwache Wechselwirkung wird anhand der folgenden Regel herausgegriffen: Wenn ein Elementarteilchen namens Neutrino (oder Antineutrino) an dem Wechselwirkungsprozess teilnimmt, dann ist diese Wechselwirkung schwach.

  Ein typisches Beispiel für eine schwache Wechselwirkung ist der Beta-Zerfall von Neutronen, wo n- Neutron, p- Proton, e- - Elektron, e+ ist ein Elektron-Antineutrino. Es sollte jedoch beachtet werden, dass die obige Regel keineswegs bedeutet, dass jeder Akt der schwachen Wechselwirkung von einem Neutrino oder Antineutrino begleitet sein muss. Es ist bekannt, dass eine große Anzahl neutrinoloser Zerfälle stattfindet. Als Beispiel können wir den Zerfallsprozess des Lambda-Hyperons D in ein Proton beobachten p+ und ein negativ geladenes Pion p– . Nach modernen Vorstellungen sind Neutron und Proton keine echten Elementarteilchen, sondern bestehen aus Elementarteilchen, den sogenannten Quarks.

  Die Intensität der schwachen Wechselwirkung wird durch die Fermi-Kopplungskonstante charakterisiert G F. Konstante G F dimensional. Um eine dimensionslose Größe zu bilden, ist es notwendig, eine Art Referenzmasse zu verwenden, beispielsweise die Masse eines Protons m p. Dann wird die dimensionslose Kopplungskonstante sein. Es ist ersichtlich, dass die schwache Wechselwirkung viel intensiver ist als die gravitative.

  Die schwache Wechselwirkung ist im Gegensatz zur Gravitation kurzreichweitig. Das bedeutet, dass die schwache Wechselwirkung zwischen Teilchen nur dann zum Tragen kommt, wenn die Teilchen nahe genug beieinander liegen. Wenn der Abstand zwischen den Teilchen einen bestimmten Wert überschreitet, der als charakteristischer Wechselwirkungsradius bezeichnet wird, tritt die schwache Wechselwirkung nicht auf. Es wurde experimentell festgestellt, dass der charakteristische Radius der schwachen Wechselwirkung in der Größenordnung von 10–15 cm, dh die schwache Wechselwirkung, auf Entfernungen konzentriert ist, die kleiner sind als die Größe des Atomkerns.

  Warum können wir von der schwachen Wechselwirkung als einer eigenständigen Form fundamentaler Wechselwirkungen sprechen? Die Antwort ist einfach. Es wurde festgestellt, dass es Transformationsprozesse von Elementarteilchen gibt, die nicht auf gravitative, elektromagnetische und starke Wechselwirkungen reduziert werden können. Ein gutes Beispiel, das zeigt, dass es bei nuklearen Phänomenen drei qualitativ unterschiedliche Wechselwirkungen gibt, bezieht sich auf die Radioaktivität. Experimente weisen auf das Vorhandensein von drei verschiedenen Arten von Radioaktivität hin: α-, β- und γ-radioaktive Zerfälle. In diesem Fall ist der α-Zerfall auf eine starke Wechselwirkung zurückzuführen, der γ-Zerfall auf elektromagnetische Wechselwirkungen. Der verbleibende β-Zerfall kann nicht durch die elektromagnetischen und starken Wechselwirkungen erklärt werden, und wir müssen akzeptieren, dass es eine andere grundlegende Wechselwirkung gibt, die als schwache bezeichnet wird. Die Notwendigkeit, eine schwache Wechselwirkung einzuführen, ist im Allgemeinen darauf zurückzuführen, dass in der Natur Prozesse ablaufen, bei denen elektromagnetische und starke Zerfälle durch Naturschutzgesetze verboten sind.

  
  

  Obwohl die schwache Wechselwirkung im Wesentlichen innerhalb des Kerns konzentriert ist, hat sie bestimmte makroskopische Manifestationen. Wie wir bereits festgestellt haben, ist es mit dem Prozess der β-Radioaktivität verbunden. Darüber hinaus spielt die schwache Wechselwirkung eine wichtige Rolle bei den sogenannten thermonuklearen Reaktionen, die für den Mechanismus der Energiefreisetzung in Sternen verantwortlich sind.

  Die erstaunlichste Eigenschaft der schwachen Wechselwirkung ist die Existenz von Prozessen, in denen sich Spiegelasymmetrie manifestiert. Auf den ersten Blick scheint es offensichtlich, dass die Unterscheidung zwischen den Begriffen links und rechts willkürlich ist. Tatsächlich sind die Prozesse der Gravitation, der elektromagnetischen und der starken Wechselwirkung invariant in Bezug auf die räumliche Inversion, die eine Spiegelreflexion implementiert. Es wird gesagt, dass in solchen Prozessen die räumliche Parität P erhalten bleibt, jedoch wurde experimentell festgestellt, dass schwache Prozesse ohne Erhaltung der räumlichen Parität ablaufen können und daher den Unterschied zwischen links und rechts zu spüren scheinen. Gegenwärtig gibt es solide experimentelle Beweise dafür, dass die Nichterhaltung der Parität bei schwachen Wechselwirkungen universeller Natur ist; sie manifestiert sich nicht nur in den Zerfällen von Elementarteilchen, sondern auch in nuklearen und sogar atomaren Phänomenen. Es sollte anerkannt werden, dass Spiegelasymmetrie auf der grundlegendsten Ebene eine Eigenschaft der Natur ist.

  Die Nichterhaltung der Parität bei schwachen Wechselwirkungen schien eine so ungewöhnliche Eigenschaft zu sein, dass Theoretiker fast unmittelbar nach ihrer Entdeckung versuchten zu zeigen, dass tatsächlich eine vollständige Symmetrie zwischen links und rechts besteht, nur dass sie eine tiefere Bedeutung hat als bisher angenommen. Spiegelreflexion muss mit dem Austausch von Teilchen durch Antiteilchen einhergehen (Ladungskonjugation C), und dann müssen alle fundamentalen Wechselwirkungen invariant sein. Später wurde jedoch festgestellt, dass diese Invarianz nicht universell ist. Es gibt schwache Zerfälle der sogenannten langlebigen neutralen Kaonen in Pionen p + , p – , die verboten sind, wenn die angegebene Invarianz tatsächlich eintritt. Somit ist die Unterscheidungseigenschaft der schwachen Wechselwirkung ihre CP-Nicht-Invarianz. Möglicherweise ist diese Eigenschaft dafür verantwortlich, dass die Materie im Universum die aus Antiteilchen aufgebaute Antimaterie deutlich überwiegt. Die Welt und die Antiwelt sind nicht symmetrisch.

  Die Frage, welche Teilchen Träger der schwachen Wechselwirkung sind, war lange unklar. Das Verständnis wurde vor relativ kurzer Zeit im Rahmen der einheitlichen Theorie der elektroschwachen Wechselwirkungen - der Theorie von Weinberg-Salam-Glashow - erreicht. Es ist mittlerweile allgemein anerkannt, dass die Träger der schwachen Wechselwirkung die sogenannten W + - und Z 0 -Bosonen sind. Dies sind geladene W + und neutrale Z 0 Elementarteilchen mit Spin 1 und Massen in der Größenordnung von 100 m p.

  Feynmans Diagramm des Beta-Zerfalls eines Neutrons in ein Proton, ein Elektron und ein Elektron-Antineutrino durch ein intermediäres W-Boson ist eine der vier grundlegenden physikalischen Wechselwirkungen zwischen Elementarteilchen, zusammen mit Gravitation, elektromagnetisch und stark. Seine bekannteste Manifestation ist der Beta-Zerfall und die damit verbundene Radioaktivität. Die Interaktion wird benannt schwach da die Intensität des ihm entsprechenden Feldes um 10 13 geringer ist als in den Feldern, die Kernteilchen (Nukleonen und Quarks) zusammenhalten, und um 10 10 geringer als das Coulomb-Feld auf diesen Skalen, aber viel stärker als das Gravitationsfeld. Die Wechselwirkung hat eine kurze Reichweite und manifestiert sich nur in Entfernungen in der Größenordnung der Größe des Atomkerns.
  Die erste Theorie der schwachen Wechselwirkung wurde 1930 von Enrico Fermi aufgestellt. Bei der Entwicklung der Theorie stützte er sich auf die Hypothese von Wolfgang Pauli über die Existenz eines neuen Elementarteilchens des damaligen Neutrinos.
  Die schwache Wechselwirkung beschreibt jene Prozesse der Kern- und Elementarteilchenphysik, die im Gegensatz zu den schnellen Prozessen aufgrund der starken Wechselwirkung relativ langsam ablaufen. Beispielsweise beträgt die Halbwertszeit eines Neutrons etwa 16 Minuten. – Ewigkeit im Vergleich zu nuklearen Prozessen, die durch eine Zeit von 10 -23 s gekennzeichnet sind.
  Zum Vergleich geladene Pionen? ± zerfallen durch die schwache Wechselwirkung und haben eine Lebensdauer von 2,6033 ± 0,0005 x 10 -8 s, während das neutrale Pion? 0 zerfällt durch elektromagnetische Wechselwirkung in zwei Gammaquanten und hat eine Lebensdauer von 8,4 ± 0,6 x 10 -17 s.
  Ein weiteres Merkmal der Wechselwirkung ist die mittlere freie Weglänge von Teilchen in Materie. Teilchen, die durch elektromagnetische Wechselwirkung interagieren - geladene Teilchen, Gammaquanten, können von einer mehrere zehn Zentimeter dicken Eisenplatte zurückgehalten werden. Während ein Neutrino, das nur schwach wechselwirkt, durch eine Milliarden Kilometer dicke Metallschicht hindurchgeht, ohne auch nur einmal zu kollidieren.
  An der schwachen Wechselwirkung sind Quarks und Leptonen, einschließlich Neutrinos, beteiligt. Dabei verändert sich das Aroma der Partikel, d.h. ihre Art. Beispielsweise wird durch den Zerfall eines Neutrons eines seiner d-Quarks zu einem u-Quark. Neutrinos sind insofern einzigartig, als sie mit anderen Teilchen nur hinter einer schwachen und immer noch schwachen Gravitationswechselwirkung interagieren.
  Nach modernen, im Standardmodell formulierten Konzepten wird die schwache Wechselwirkung von Eich-W- und -Z-Bosonen getragen, die 1982 an Beschleunigern entdeckt wurden. Ihre Massen betragen 80 und 90 Protonenmassen. Der Austausch von virtuellen W-Bosonen wird als geladener Strom bezeichnet, der Austausch von Z-Bosonen wird als neutraler Strom bezeichnet.
  Die Scheitelpunkte von Feynman-Diagrammen, die mögliche Prozesse beschreiben, an denen Eich-W- und Z-Bosonen beteiligt sind, können in drei Typen unterteilt werden:

  Ein Lepton kann ein W-Boson viprominitieren oder absorbieren und sich in ein Neutrino verwandeln;
  Ein Quark kann ein W-Boson viprominieren oder absorbieren und seinen Geschmack ändern, indem es zu einer Überlagerung anderer Quarks wird.
  Lepton oder Quark können Z-Boson absorbieren oder viprominitieren

  Die Fähigkeit eines Teilchens, schwach zu wechselwirken, wird durch eine Quantenzahl beschrieben, die als schwacher Isospin bezeichnet wird. Die möglichen Isospin-Werte für Teilchen, die W- und Z-Bosonen austauschen können, betragen ± 1/2.Es sind diese Teilchen, die durch die schwache Kraft interagieren. Teilchen mit einem schwachen Isospin von null interagieren nicht über eine schwache Gegenseitigkeit hinaus, für die die Prozesse des W- und Z-Austauschs durch Bosonen unmöglich sind. Schwacher Isospin bleibt bei Reaktionen zwischen Elementarteilchen erhalten. Das bedeutet, dass der gesamte schwache Isospin aller an der Reaktion beteiligten Teilchen unverändert bleibt, obwohl sich die Art der Teilchen ändern kann.
  Ein Merkmal der schwachen Wechselwirkung ist, dass sie die Parität verletzt, da nur Fermionen mit linker Chiralität und Antiteilchen von Fermionen mit rechter Chiralität die Fähigkeit zur schwachen Wechselwirkung durch geladene Ströme haben. Die Nichterhaltung der Parität in der schwachen Wechselwirkung wurde von Yang Zhenning und Li Zhengdao entdeckt, wofür sie 1957 den Nobelpreis für Physik erhielten. Der Grund für die Nichterhaltung der Parität wird in der spontanen Symmetriebrechung gesehen. Im Rahmen des Standardmodells entspricht ein hypothetisches Teilchen, das Higgs-Boson, einer Symmetriebrechung. Dies ist der einzige Teil des gewöhnlichen Modells, der noch nicht experimentell nachgewiesen wurde.
  Bei schwacher Wechselwirkung wird auch die CP-Symmetrie verletzt. Diese Verletzung wurde experimentell 1964 in Experimenten mit dem Kaon aufgedeckt. Die Autoren der Entdeckung, James Cronin und Val Fitch, wurden 1980 mit dem Nobelpreis ausgezeichnet. CP-Symmetrieverletzungen treten viel seltener auf als Paritätsverletzungen. Es bedeutet auch, da die Erhaltung der CPT-Symmetrie auf fundamentalen physikalischen Prinzipien beruht – Lorentz-Transformationen und Wechselwirkungen mit kurzer Reichweite, die Möglichkeit der Verletzung der T-Symmetrie, d.h. Nicht-Invarianz physikalischer Prozesse in Bezug auf die Änderung der Zeitrichtung.

  1969 wurde eine einheitliche Theorie elektromagnetischer und schwacher nuklearer Wechselwirkungen aufgestellt, wonach bei Energien von 100 GeV, was einer Temperatur von 10 15 K entspricht, der Unterschied zwischen elektromagnetischen und schwachen Prozessen verschwindet. Die experimentelle Überprüfung der einheitlichen Theorie der elektroschwachen und starken Kernwechselwirkung erfordert eine hundertmilliardenfache Erhöhung der Energie von Beschleunigern.
  Die Theorie der elektroschwachen Wechselwirkung basiert auf der Symmetriegruppe SU(2).
  Trotz ihrer geringen Größe und kurzen Dauer spielt die schwache Wechselwirkung eine sehr wichtige Rolle in der Natur. Wenn es möglich wäre, die schwache Wechselwirkung „auszuschalten“, würde die Sonne erlöschen, da der Prozess der Umwandlung eines Protons in ein Neutron, ein Positron und ein Neutrino unmöglich würde, wodurch aus 4 Protonen 4 werden Er, zwei Positronen und zwei Neutrinos. Dieser Prozess ist die Hauptenergiequelle für die Sonne und die meisten Sterne (siehe Wasserstoffkreislauf). Schwache Wechselwirkungsprozesse sind wichtig für die Entwicklung von Sternen, da sie den Energieverlust sehr heißer Sterne in Supernova-Explosionen mit der Bildung von Pulsaren usw. verursachen. Gäbe es in der Natur keine schwache Wechselwirkung, wären Myonen, Pi-Mesonen und andere Teilchen stabil und in gewöhnlicher Materie weit verbreitet. Eine so wichtige Rolle der schwachen Wechselwirkung beruht auf der Tatsache, dass sie einer Reihe von Verboten nicht gehorcht, die für starke und elektromagnetische Wechselwirkungen charakteristisch sind. Insbesondere die schwache Wechselwirkung verwandelt geladene Leptonen in Neutrinos und Quarks eines Flavors in Quarks eines anderen.