Os portadores da interação fraca são os vetores bósons C + , C− e Z 0 . Neste caso, distingue-se a interação das chamadas correntes carregadas fracas e correntes neutras fracas . Interação de correntes carregadas (com a participação de bósons carregados C± ) leva a uma mudança nas cargas das partículas e à transformação de alguns léptons e quarks em outros léptons e quarks. Interação de correntes neutras (com a participação de um bóson neutro Z 0 ) não altera as cargas das partículas e transforma léptons e quarks nas mesmas partículas.
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Usando a hipótese de Pauli, Enrico Fermi desenvolveu em 1933 a primeira teoria do decaimento beta. Curiosamente, seu trabalho foi recusado a ser publicado na revista Natureza, referindo-se à excessiva abstração do artigo. A teoria de Fermi baseia-se na utilização do método de quantização secundária, semelhante ao que já havia sido aplicado na época para os processos de emissão e absorção de fótons. Uma das ideias expressas na obra também foi a afirmação de que as partículas emitidas do átomo não estavam inicialmente contidas nele, mas nasceram no processo de interação.
Por muito tempo acreditou-se que as leis da natureza são simétricas em relação ao reflexo do espelho, ou seja, o resultado de qualquer experimento deve ser o mesmo que o resultado de um experimento realizado em uma instalação simétrica em espelho. Essa simetria em relação à inversão espacial (que geralmente é denotada como P) está relacionado com a lei conservação paridade. No entanto, em 1956, considerando teoricamente o processo de decaimento do méson K, Yang Zhenning e Li Zongdao sugeriram que a interação fraca pode não obedecer a essa lei. Já em 1957, o grupo de Wu Jiansong confirmou essa previsão em um experimento de decaimento beta, que rendeu a Yang e Li o Prêmio Nobel de Física de 1957. Mais tarde, o mesmo fato foi confirmado no decaimento do múon e de outras partículas.
Para explicar os novos fatos experimentais, em 1957 Murray Gell-Mann, Richard Feynman, Robert Marshak e George Sudarshan desenvolveram uma teoria universal da interação fraca de quatro férmions, chamada V − UMA-teoria.
Em um esforço para preservar a máxima simetria possível de interações, L. D. Landau sugeriu em 1957 que, embora P- a simetria é quebrada em interações fracas, a simetria combinada deve ser preservada nelas PC- uma combinação de reflexão de espelho e substituição de partículas por antipartículas. No entanto, em 1964, James-Cronin e Wahl-Fitch encontraram uma violação fraca nos decaimentos de kaons neutros PC-paridade. Foi a interação fraca que também acabou sendo responsável por essa violação, além disso, a teoria neste caso previa que além das duas gerações de quarks e léptons conhecidos na época, deveria haver pelo menos mais uma geração. Esta previsão foi confirmada primeiro em 1975 com a descoberta do lépton tau, e depois em 1977 com a descoberta do quark b. Cronin e Fitch receberam o Prêmio Nobel de Física de 1980.
Propriedades
Todos os férmions fundamentais (léptons e quarks) participam da interação fraca. Essa é a única interação em que os neutrinos participam (além da gravidade, que é desprezível em laboratório), o que explica o colossal poder de penetração dessas partículas. A interação fraca permite que léptons, quarks e suas antipartículas troquem energia, massa, carga elétrica e números quânticos - ou seja, se transformem um no outro.
A força fraca recebe esse nome pelo fato de sua intensidade característica ser muito menor que a do eletromagnetismo. Na física de partículas elementares, a intensidade de uma interação é geralmente caracterizada pela taxa de processos causados por essa interação. Quanto mais rápido os processos avançam, maior a intensidade da interação. Em energias de partículas em interação da ordem de 1 GeV, a taxa característica de processos devido à interação fraca é de cerca de 10 −10 s, que é aproximadamente 11 ordens de grandeza maior do que para processos eletromagnéticos, ou seja, processos fracos são processos extremamente lentos .
Outra característica da intensidade da interação é o comprimento do caminho livre das partículas em uma substância. Assim, para parar um hádron voador devido à forte interação, é necessária uma placa de ferro com vários centímetros de espessura. E um neutrino, que só participa da interação fraca, pode voar através de uma placa de bilhões de quilômetros de espessura.
Entre outras coisas, a interação fraca tem um raio de ação muito pequeno - cerca de 2,10 -18 m (isto é aproximadamente 1000 vezes menor que o tamanho do núcleo). É por esta razão que, apesar de a interação fraca ser muito mais intensa que a gravitacional, cujo alcance é ilimitado, ela desempenha um papel visivelmente menor. Por exemplo, mesmo para núcleos localizados a uma distância de 10 −10 m, a interação fraca é mais fraca não apenas eletromagnética, mas também gravitacional.
Neste caso, a intensidade dos processos fracos depende fortemente da energia das partículas que interagem. Quanto maior a energia, maior a intensidade. Por exemplo, devido à interação fraca, o nêutron, cuja liberação de energia durante o decaimento beta é de aproximadamente 0,8 MeV, decai em cerca de 10 3 s, e o Λ-hiperon, com uma liberação de energia de cerca de cem vezes mais, já em 10 -10 s. O mesmo vale para neutrinos energéticos: a seção de choque para interação com um nucleon de um neutrino com uma energia de 100 GeV é seis ordens de grandeza maior que a de um neutrino com uma energia de cerca de 1 MeV. No entanto, para energias da ordem de várias centenas de GeV (no sistema de centro de massa de partículas em colisão), a intensidade da interação fraca torna-se comparável à energia da interação eletromagnética, como resultado da qual elas podem ser descritas de forma unificada como a interação eletrofraca.
A interação fraca é a única das interações fundamentais para a qual a lei conservação paridade não vale, o que significa que as leis que os processos fracos obedecem mudam quando o sistema é espelhado. A violação da lei de conservação da paridade leva ao fato de que apenas as partículas da esquerda (cujo spin é direcionado opostamente ao momento) estão sujeitas a interação fraca, mas não as da direita (cujo spin é co-direcionado com o momento), e vice-versa. inversa: as antipartículas da direita interagem de forma fraca, mas as da esquerda são inertes.
Além da paridade espacial, a interação fraca também não preserva a paridade espaço-carga combinada, ou seja, a única interação conhecida viola o princípio PC-invariância .
Descrição teórica
teoria de Fermi
A primeira teoria da interação fraca foi desenvolvida por Enrico Fermi na década de 1930. Sua teoria é baseada em uma analogia formal entre o processo de decaimento β e os processos eletromagnéticos de emissão de fótons. A teoria de Fermi baseia-se na interação das chamadas correntes de hádrons e léptons. Neste caso, diferentemente do eletromagnetismo, assume-se que sua interação é de natureza de contato e não implica a presença de um portador semelhante a um fóton. Em notação moderna, a interação entre os quatro férmions principais (próton, nêutron, elétron e neutrino) é descrita por um operador da forma
G F 2 p ¯ ^ n ^ ⋅ e ¯ ^ ν ^ (\displaystyle (\frac (G_(F))(\sqrt (2)))(\hat (\overline (p)))(\hat (n) )\cdot (\hat (\overline (e)))(\hat (\nu ))),Onde G F (\displaystyle G_(F))- a chamada constante Fermi, numericamente igual a aproximadamente 10 −48 J/m³ ou 10 − 5 / m p 2 (\displaystyle 10^(-5)/m_(p)^(2)) (m p (\displaystyle m_(p))- massa do próton) em unidades, onde ℏ = c = 1 (\displaystyle \hbar =c=1); p ¯ ^ (\displaystyle (\hat (\overline (p)))))- operador de criação de prótons (ou aniquilação de antiprótons), n ^ (\displaystyle (\hat(n)))- operador de aniquilação de nêutrons (criação de antinêutrons), e ¯ ^ (\displaystyle (\hat (\overline (e)))))- operador de criação de elétrons (aniquilação de pósitrons), ν ^ (\displaystyle (\hat (\nu)))- operador de aniquilação de neutrinos (geração de antineutrinos).
Trabalhar p ¯ ^ n ^ (\displaystyle (\hat (\overline (p)))(\hat (n))), responsável pela conversão de um nêutron em um próton, foi chamado de corrente de nucleon, e e ¯ ^ ν ^ , (\displaystyle (\hat (\overline (e)))(\hat (\nu)),) convertendo um elétron em um neutrino - lépton. Postula-se que essas correntes, à semelhança das correntes eletromagnéticas, são 4-vetores p ¯ ^ γ μ n ^ (\displaystyle (\hat (\overline (p)))\gamma _(\mu )(\hat (n))) e e ¯ ^ γ μ ν ^ (\displaystyle (\hat (\overline (e)))\gamma _(\mu )(\hat (\nu ))) (γ μ , μ = 0 … 3 (\displaystyle \gamma _(\mu ),~\mu =0\dots 3)- Matrizes de Dirac). Portanto, sua interação é chamada de vetor.
A diferença essencial entre as correntes fracas introduzidas por Fermi e as eletromagnéticas é que elas mudam a carga das partículas: um próton carregado positivamente torna-se um nêutron neutro, e um elétron carregado negativamente torna-se um neutrino neutro. A este respeito, essas correntes são chamadas de correntes carregadas.
Teoria V-A Universal
A teoria universal da interação fraca, também chamada de V−A-teoria, foi proposta em 1957 por M. Gell-Mann, R. Feynman, R. Marshak e J. Sudarshan. Essa teoria levou em conta o fato recentemente comprovado da violação da paridade ( P-simetrias) no caso de interação fraca. Para isso, as correntes fracas foram representadas como a soma das correntes vetoriais V e axial UMA(daí o nome da teoria).
As correntes vetoriais e axiais se comportam exatamente da mesma maneira nas transformações de Lorentz. No entanto, durante a inversão espacial, seu comportamento é diferente: a corrente vetorial permanece inalterada durante tal transformação, enquanto a corrente axial muda de sinal, o que leva à violação da paridade. Além disso, as correntes V e UMA diferem na chamada paridade de cobrança (violar C-simetria).
Da mesma forma, a corrente hadrônica é a soma das correntes de quarks de todas as gerações ( você- topo, d- fundo, c- encantado s- estranho, t- verdadeiro, b- quarks encantadores):
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 ))).)Ao contrário da corrente leptônica, no entanto, aqui os operadores d ′ ^ , (\displaystyle (\hat (d^(\prime))),) s ′ ^ (\displaystyle (\hat (s^(\prime ))))) e b ′ ^ (\displaystyle (\hat (b^(\prime ))))) são uma combinação linear de operadores d ^ , (\displaystyle (\hat (d)),) s ^ (\displaystyle (\hat(s))) e b ^ , (\displaystyle (\hat (b)),) isto é, a corrente de hádrons contém um total não de três, mas de nove termos. Esses termos podem ser combinados em uma única matriz 3×3 chamada matriz Cabibbo - Kobayashi - Maskawa. Esta matriz pode ser parametrizada com três ângulos e um fator de fase. Este último caracteriza o grau de violação PC-invariância na interação fraca.
Todos os termos da corrente carregada são a soma dos operadores vetoriais e axiais com multiplicadores iguais a um.
L = G F 2 j w ^ j w † ^ , (\displaystyle (\mathcal (L))=(\frac (G_(F))(\sqrt (2)))(\hat (j_(w)))(\ chapéu (j_(w)^(\dagger ))),)Onde j w ^ (\displaystyle (\hat (j_(w)))))é o operador de corrente carregado, e j w † ^ (\displaystyle (\hat (j_(w)^(\dagger )))))- conjugado a ele (obtido substituindo 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 ))) etc.)
Teoria de Weinberg - Salam
Na forma moderna, a interação fraca é descrita como parte de uma única interação eletrofraca na estrutura da teoria de Weinberg-Salam. Esta é uma teoria quântica de campos com um grupo de calibre SU(2)× você(1) e a simetria espontaneamente quebrada do estado de vácuo causada pela ação do campo de bósons de Higgs. A prova da renormalização de tal modelo por Martinus Veltman e Gerard "t Hooft recebeu o Prêmio Nobel de Física de 1999.
Nesta forma, a teoria da interação fraca está incluída no moderno Modelo Padrão, e é a única interação que quebra simetrias P e PC .
De acordo com a teoria da interação eletrofraca, a interação fraca não é um contato, mas tem seus próprios portadores - bósons vetoriais C + , C− e Z 0 com massa diferente de zero e spin igual a 1. A massa desses bósons é de cerca de 90 GeV/s², o que causa uma pequena faixa de forças fracas.
Neste caso, os bósons carregados C± são responsáveis pela interação de correntes carregadas, e a existência de um bóson neutro Z 0 significa a existência de correntes neutras também. Tais correntes, de fato, foram descobertas experimentalmente. Um exemplo de interação com sua participação é, em particular, o espalhamento elástico de um neutrino por um próton. Em tais interações, tanto o tipo de partículas quanto suas cargas são preservadas.
Para descrever a interação de correntes neutras, a Lagrangiana deve ser complementada com um termo da forma
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))),)onde ρ é um parâmetro adimensional, igual à unidade na teoria padrão (experimentalmente difere da unidade em não mais que 1%), 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 )- operador de corrente auto-adjunto neutro.
Ao contrário das correntes carregadas, o operador de corrente neutra é diagonal, ou seja, traduz as partículas em si mesmas, e não em outros léptons ou quarks. Cada um dos termos do operador de corrente neutra é a soma de um operador vetorial com um multiplicador e um operador axial com um multiplicador I 3 − 2 Q sin 2 θ w (\displaystyle I_(3)-2Q\sin ^(2)\theta _(w)), Onde I 3 (\displaystyle I_(3))- a terceira projeção do chamado fraco
Interação fraca
Interação forte
A interação forte é de curto alcance. Seu raio de ação é de cerca de 10-13 cm.
As partículas envolvidas na interação forte são chamadas de hádrons. Em uma substância estável comum a uma temperatura não muito alta, a interação forte não causa nenhum processo. Seu papel é criar uma forte ligação entre os nucleons (prótons e nêutrons) nos núcleos. A energia de ligação é em média cerca de 8 MeV por nucleon. Nesse caso, durante colisões de núcleos ou nucleons com energia suficientemente alta (da ordem de centenas de MeV), a interação forte leva a inúmeras reações nucleares: fissão de núcleos, transformação de alguns núcleos em outros, etc.
Começando com energias de nucleons colidindo na ordem de várias centenas de MeV, a forte interação leva à produção de mésons P. Em energias ainda mais altas, nascem K-mesons e hyperons, e muitas ressonâncias de mésons e bárions (ressonâncias são estados excitados de curta duração de hádrons).
Ao mesmo tempo, descobriu-se que nem todas as partículas experimentam uma forte interação. Então, é experimentado por prótons e nêutrons, mas elétrons, neutrinos e fótons não estão sujeitos a ele. Normalmente, apenas partículas pesadas participam da interação forte.
A explicação teórica da natureza da interação forte tem sido difícil de desenvolver. Um avanço foi delineado apenas no início da década de 1960, quando o modelo de quarks foi proposto. Nesta teoria, nêutrons e prótons são considerados não como partículas elementares, mas como sistemas compostos construídos a partir de quarks.
Os quanta de interação forte são oito glúons. Os glúons receberam o nome da palavra inglesa cola (cola), porque são responsáveis pelo confinamento dos quarks. As massas de repouso dos glúons são iguais a zero. Ao mesmo tempo, os glúons possuem uma carga de cor, devido à qual são capazes de interagir entre si, como se costuma dizer, de auto-ação, o que leva a dificuldades em descrever matematicamente a interação forte devido à sua não linearidade.
Seu raio de ação é inferior a 10-15 cm.A interação fraca é várias ordens de magnitude mais fraca do que não apenas forte, mas também eletromagnética. Ao mesmo tempo, é muito mais forte que o gravitacional no microcosmo.
O primeiro processo descoberto e mais difundido causado pela interação fraca é o decaimento b radioativo dos núcleos.
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Este tipo de radioatividade foi descoberto em 1896 por A.A. Becquerelem. No processo de decaimento eletrônico radioativo / b - - /, um dos nêutrons / n/ núcleo atômico se transforma em próton / R/ com emissão de elétrons / e-/ e antineutrino de elétron //:n ® p + e-+
No processo de decaimento do pósitron /b + -/, ocorre uma transição:
p® n + e++
Na primeira teoria do decaimento b, criada em 1934 por E. Fermi, para explicar este fenômeno, foi necessário introduzir uma hipótese sobre a existência de um tipo especial de forças de curto alcance que causam a transição
n ® p + e-+
Pesquisas posteriores mostraram que a interação introduzida por Fermi tem um caráter universal.
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Ela causa o decaimento de todas as partículas instáveis cujas massas e regras de seleção para números quânticos não permitem que elas decaiam devido à interação forte ou eletromagnética. A interação fraca é inerente a todas as partículas, exceto aos fótons. O tempo característico dos processos de interação fraca em energias da ordem de 100 MeV é 13-14 ordens de grandeza maior do que o tempo característico para a interação forte.Os quanta de interação fraca são três bósons - W + , W − , Z°- bósons. Os sobrescritos indicam o sinal da carga elétrica desses quanta. Os quanta da interação fraca têm uma massa significativa, o que leva ao fato de que a interação fraca se manifesta em distâncias muito curtas.
Deve-se levar em conta que hoje as interações fraca e eletromagnética já estão combinadas em uma única teoria. Há uma série de esquemas teóricos nos quais é feita uma tentativa de criar uma teoria unificada de todos os tipos de interação. No entanto, esses esquemas ainda não estão suficientemente desenvolvidos para serem testados experimentalmente.
26. Física estrutural. Abordagem corpuscular à descrição e explicação da natureza. Reducionismo
Os objetos da física estrutural são elementos da estrutura da matéria (por exemplo, moléculas, átomos, partículas elementares) e sua formação mais complexa. Isto:
1) plasma -é um gás no qual uma parte significativa das moléculas ou átomos está ionizada;
2) cristais- são sólidos nos quais átomos ou moléculas estão dispostos de maneira ordenada e formam uma estrutura interna que se repete periodicamente;
3) líquidos- este é o estado de agregação da matéria, ĸᴏᴛᴏᴩᴏᴇ combina as características de um estado sólido (preservação de volume, uma certa resistência à tração) e um estado gasoso (variabilidade de forma).
Os fluidos são caracterizados por:
a) ordem de curto alcance no arranjo das partículas (moléculas, átomos);
b) uma pequena diferença na energia cinética do movimento térmico e sua energia potencial de interação.
4) estrelas,ᴛ.ᴇ. bolas de gás brilhante (plasma).
Ao distinguir as equações estruturais da matéria, os seguintes critérios são usados:
Dimensões espaciais: partículas do mesmo nível têm dimensões espaciais da mesma ordem (por exemplo, todos os átomos têm dimensões da ordem de 10 -8 cm);
O tempo dos processos: em um nível, é mais ou menos a mesma ordem;
Objetos do mesmo nível consistem nos mesmos elementos (por exemplo, todos os núcleos consistem em prótons e nêutrons);
As leis que explicam os processos em um nível são qualitativamente diferentes das leis que explicam os processos em outro nível;
Objetos de diferentes níveis diferem em propriedades básicas (por exemplo, todos os átomos são eletricamente neutros e todos os núcleos são eletricamente carregados positivamente).
À medida que novos níveis de estrutura e estados da matéria são descobertos, a área de objetos da física estrutural está se expandindo.
Deve-se ter em mente que ao resolver problemas físicos específicos, as questões relacionadas à elucidação da estrutura, interação e movimento estão intimamente interligadas.
Na raiz da física estrutural está a abordagem corpuscular da descrição e explicação da natureza.
Pela primeira vez, o conceito de átomo como a última e indivisível partícula do corpo surgiu na Grécia Antiga dentro da estrutura dos ensinamentos naturais-filosóficos da escola de Leucipo-Demócrito. De acordo com essa visão, existem apenas átomos no mundo que se movem no vazio. Os antigos atomistas consideravam a continuidade da matéria aparente. Várias combinações de átomos formam vários corpos visíveis. Esta hipótese não foi baseada em dados experimentais. Ela era apenas um palpite brilhante. Mas determinou todo o desenvolvimento posterior da ciência natural por muitos séculos vindouros.
A hipótese dos átomos como partículas indivisíveis da matéria foi revivida nas ciências naturais, em particular, na física e na química para explicar alguns padrões que foram estabelecidos empiricamente (por exemplo, as leis de Boyle-Mariotte e Gay-Lussac para gases ideais, expansão térmica de corpos, etc.). d.). De fato, a lei de Boyle-Mariotte afirma que o volume de um gás é inversamente proporcional à sua pressão, mas não explica por que isso acontece. Da mesma forma, quando um corpo é aquecido, suas dimensões aumentam. Mas qual o motivo dessa expansão? Na teoria cinética da matéria, essas e outras regularidades estabelecidas pela experiência são explicadas com a ajuda de átomos e moléculas.
De fato, a diminuição diretamente observada e medida na pressão do gás com um aumento em seu volume na teoria cinética da matéria é explicada como um aumento no caminho livre de seus átomos e moléculas constituintes. É como resultado disso que o volume ocupado pelo gás aumenta. Da mesma forma, a expansão dos corpos sob aquecimento na teoria cinética da matéria é explicada por um aumento na velocidade média das moléculas em movimento.
As explicações nas quais as propriedades de substâncias ou corpos complexos estão tentando ser reduzidas às propriedades de seus elementos ou componentes mais simples são chamadas reducionismo. Este método de análise tornou possível resolver uma grande classe de problemas em ciências naturais.
Até o final do século XIX. Acreditava-se que o átomo é a menor, indivisível e sem estrutura partícula de matéria. Ao mesmo tempo, as descobertas do elétron, a radioatividade, mostraram que não é bem assim. Surge o modelo planetário do átomo de Rutherford. Em seguida, é substituído pelo modelo N. Bora. Mas, como antes, o pensamento dos físicos visa reduzir toda a variedade de propriedades complexas dos corpos e fenômenos naturais às propriedades simples de um pequeno número de partículas primárias. Posteriormente, essas partículas foram denominadas elementar. Agora, seu número total excede 350. Por esse motivo, é improvável que todas essas partículas possam ser chamadas de verdadeiramente elementares, não contendo outros elementos. Esta crença é reforçada em conexão com a hipótese da existência de quarks. Segundo ele, as partículas elementares conhecidas consistem em partículas com cargas elétricas fracionárias. Eles são chamados quarks.
De acordo com o tipo de interação em que as partículas elementares participam, todas elas, exceto o fóton, são classificadas em dois grupos:
1) hádrons. Vale dizer que eles são caracterizados pela presença de uma forte interação. Ao mesmo tempo, eles também podem participar de interações fracas e eletromagnéticas;
2) léptons. Οʜᴎ participam apenas de interações eletromagnéticas e fracas;
De acordo com o tempo de vida são distinguidos:
a) partículas elementares estáveis. Estes são o elétron, fóton, próton e neutrino;
b) quase estável. Estas são partículas que decaem devido a interações eletromagnéticas e fracas. Por exemplo, para + ® m++;
c) instável. Οʜᴎ decaimento devido à forte interação, por exemplo, nêutron.
As cargas elétricas das partículas elementares são múltiplos da menor carga inerente a um elétron. Ao mesmo tempo, as partículas elementares são divididas em pares de partículas - antipartículas, por exemplo, e - - e + (elas têm as mesmas características e os sinais da carga elétrica são opostos). Partículas eletricamente neutras também possuem antipartículas, por exemplo, P-,- .
Assim, o conceito atomístico é baseado no conceito da estrutura discreta da matéria. A abordagem atomística explica as propriedades de um objeto físico com base nas propriedades de suas menores partículas, que em um determinado estágio da cognição são consideradas indivisíveis. Historicamente, essas partículas foram reconhecidas primeiro como átomos, depois como partículas elementares e agora como quarks. A dificuldade dessa abordagem é a redução completa do complexo ao simples, que não leva em conta as diferenças qualitativas entre eles.
Até o final do primeiro quartel do século XX, a ideia da unidade da estrutura do macro e do microcosmo era entendida mecanicamente, como a completa identidade das leis e a completa semelhança da estrutura de ambos.
As micropartículas foram interpretadas como cópias em miniatura de macrocorpos, ᴛ.ᴇ. como bolas extremamente pequenas (corpúsculos) movendo-se ao longo de órbitas precisas, que são completamente análogas às órbitas planetárias, com a única diferença de que os corpos celestes são conectados por forças de interação gravitacional e micropartículas - por forças de interação elétrica.
Após a descoberta do elétron (Thomson, 1897 ᴦ.), a criação da teoria quântica (Planck, 1900 ᴦ.), a introdução do conceito de fóton (Einstein, 1905 ᴦ.), a doutrina atômica adquiriu um novo caráter .
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A ideia de discrição foi estendida ao campo dos fenômenos elétricos e luminosos, ao conceito de energia (no século XIX, a doutrina da energia servia como esfera de representação de quantidades contínuas e funções de estado). A característica mais importante da doutrina atômica moderna é o atomismo da ação. Está ligado ao fato de que o movimento, propriedades e estados de vários micro-objetos podem ser quantizados, ᴛ.ᴇ. são expressos na forma de quantidades discretas e razões. A nova atomística reconhece a relativa estabilidade de cada tipo discreto de matéria, sua certeza qualitativa, sua relativa indivisibilidade e irreversibilidade dentro de certos limites dos fenômenos naturais. Por exemplo, sendo divisível de algumas maneiras físicas, o átomo é quimicamente indivisível, ᴛ.ᴇ. nos processos químicos ela se comporta como algo inteiro, indivisível. Uma molécula, sendo quimicamente divisível em átomos, em movimento térmico (até certos limites) comporta-se como um todo, indivisível, etc.Especialmente importante no conceito de nova atomística é o reconhecimento da interconvertibilidade de quaisquer tipos discretos de matéria.
Diferentes níveis de organização estrutural da realidade física (quarks, micropartículas, núcleos, átomos, moléculas, macrocorpos, megassistemas) têm suas próprias leis físicas específicas. Mas não importa quão diferentes sejam os fenômenos estudados dos fenômenos estudados pela física clássica, todos os dados experimentais devem ser descritos usando conceitos clássicos. Há uma diferença fundamental entre a descrição do comportamento do microobjeto em estudo e a descrição do funcionamento dos instrumentos de medição. Isso decorre do fato de que o funcionamento dos instrumentos de medição, em princípio, deve ser descrito na linguagem da física clássica, enquanto o objeto em estudo não pode ser descrito nessa linguagem.
A abordagem corpuscular na explicação de fenômenos e processos físicos sempre foi combinada com a abordagem contínua desde o surgimento da física de interação. Expressou-se no conceito de campo e na divulgação de seu papel na interação física. A representação do campo como um fluxo de um certo tipo de partículas (teoria quântica de campos) e a atribuição de propriedades ondulatórias a qualquer objeto físico (hipótese de Louis de Broglie) reuniram essas duas abordagens para a análise de fenômenos físicos.
Interação fraca - conceito e tipos. Classificação e características da categoria "Interação fraca" 2017, 2018.
O tempo é como um rio que carrega os acontecimentos que passam, e sua corrente é forte; apenas algo parecerá aos seus olhos - e já foi levado, e outra coisa é visível, que também em breve será levada.
Marco Aurélio
Cada um de nós se esforça para criar uma imagem completa do mundo, incluindo uma imagem do Universo, desde as menores partículas subatômicas até as maiores escalas. Mas as leis da física às vezes são tão estranhas e contra-intuitivas que essa tarefa pode se tornar esmagadora para aqueles que não se tornaram físicos teóricos profissionais.
O leitor pergunta:
Embora isso não seja astronomia, mas talvez você me diga. A força forte é transportada por glúons e une quarks e glúons. Eletromagnético é transportado por fótons e liga partículas eletricamente carregadas. A gravidade é supostamente transportada por grávitons e liga todas as partículas à massa. O fraco é carregado pelas partículas W e Z, e… é devido ao decaimento? Por que a força fraca é descrita dessa maneira? A força fraca é responsável pela atração e/ou repulsão de alguma partícula? E o que? E se não, por que então essa é uma das interações fundamentais, se não está associada a nenhuma força? Obrigada.
Vamos dar uma olhada no básico. Existem quatro forças fundamentais no universo - gravidade, eletromagnetismo, força nuclear forte e força nuclear fraca.E tudo isso são interações, forças. Para partículas cujo estado pode ser medido, a aplicação de uma força muda seu momento - na vida comum, nesses casos, falamos de aceleração. E para três dessas forças, isso é verdade.
No caso da gravidade, a quantidade total de energia (principalmente massa, mas isso inclui toda a energia) distorce o espaço-tempo, e o movimento de todas as outras partículas muda na presença de qualquer coisa que tenha energia. É assim que funciona na teoria clássica (não quântica) da gravidade. Talvez haja uma teoria mais geral, a gravidade quântica, onde há uma troca de grávitons, levando ao que observamos como uma interação gravitacional.
Antes de prosseguir, entenda:
- As partículas têm uma propriedade, ou algo inerente a elas, que lhes permite sentir (ou não sentir) um certo tipo de força.
- Outras partículas portadoras de interação interagem com a primeira
- Como resultado das interações, as partículas mudam de momento ou aceleram
No eletromagnetismo, a principal propriedade é a carga elétrica. Ao contrário da gravidade, ela pode ser positiva ou negativa. Um fóton, uma partícula que carrega uma interação associada a uma carga, leva ao fato de que as mesmas cargas se repelem e as diferentes se atraem.
Vale a pena notar que cargas em movimento, ou correntes elétricas, experimentam outra manifestação de eletromagnetismo - o magnetismo. A mesma coisa acontece com a gravidade, e é chamado de gravitomagnetismo (ou gravitoeletromagnetismo). Não iremos a fundo - a questão é que não há apenas uma carga e um portador de força, mas também correntes.
Há também uma força nuclear forte, que possui três tipos de cargas. Embora todas as partículas tenham energia e estejam todas sujeitas à gravidade, e embora os quarks, metade dos léptons e alguns bósons contenham cargas elétricas, apenas os quarks e glúons têm uma carga de cor e podem experimentar a força nuclear forte.
Há muitas massas em todos os lugares, então a gravidade é fácil de observar. E como a força forte e o eletromagnetismo são bastante fortes, também são fáceis de observar.
Mas e o último? Interação fraca?
Costumamos falar sobre isso no contexto do decaimento radioativo. Um quark ou lépton pesado decai em outros mais leves e mais estáveis. Sim, a força fraca tem algo a ver com isso. Mas neste exemplo, de alguma forma, difere do resto das forças.
Acontece que a força fraca também é uma força, mas não é muito falado. Ela é fraca! 10.000.000 vezes mais fraco que o eletromagnetismo a uma distância tão longa quanto o diâmetro de um próton.
Uma partícula carregada sempre tem uma carga, esteja ela em movimento ou não. Mas a corrente elétrica criada por ele depende de seu movimento em relação a outras partículas. A corrente determina o magnetismo, que é tão importante quanto a parte elétrica do eletromagnetismo. Partículas compostas como o próton e o nêutron têm momentos magnéticos significativos, assim como o elétron.
Quarks e léptons vêm em seis sabores. Quarks - top, bottom, strange, charmed, charmosa, true (de acordo com suas designações de letras em latim u, d, s, c, t, b - up, down, strange, charm, top, bottom). Léptons - elétron, elétron-neutrino, múon, múon-neutrino, tau, tau-neutrino. Cada um deles tem uma carga elétrica, mas também um sabor. Se combinarmos o eletromagnetismo e a força fraca para obter a força eletrofraca, então cada uma das partículas terá algum tipo de carga fraca, ou corrente eletrofraca, e uma constante de força fraca. Tudo isso está descrito no Modelo Padrão, mas foi bastante difícil verificar isso porque o eletromagnetismo é muito forte.
Em um novo experimento, cujos resultados foram publicados recentemente, a contribuição da interação fraca foi medida pela primeira vez. O experimento possibilitou determinar a interação fraca de quarks up e down
E as cargas fracas do próton e do nêutron. As previsões do Modelo Padrão para cargas fracas foram:
Q W (p) = 0,0710 ± 0,0007,
Q W (n) = -0,9890 ± 0,0007.E de acordo com os resultados de espalhamento, o experimento deu os seguintes valores:
Q W (p) = 0,063 ± 0,012,
Q W (n) = -0,975 ± 0,010.O que concorda muito bem com a teoria, levando em conta o erro. Os experimentadores dizem que, processando mais dados, eles reduzirão ainda mais o erro. E se houver alguma surpresa ou discrepância com o Modelo Padrão, será legal! Mas nada indica isso:
Portanto, as partículas têm uma carga fraca, mas não a expandimos, pois é irrealisticamente difícil de medir. Mas fizemos isso de qualquer maneira, e aparentemente reafirmamos o Modelo Padrão.
Essa interação é a mais fraca das interações fundamentais observadas experimentalmente nos decaimentos de partículas elementares, onde os efeitos quânticos são fundamentalmente significativos. Lembre-se de que as manifestações quânticas da interação gravitacional nunca foram observadas. A interação fraca é destacada usando a seguinte regra: se uma partícula elementar chamada neutrino (ou antineutrino) participa do processo de interação, então essa interação é fraca.
Um exemplo típico de uma interação fraca é o decaimento beta de nêutrons, onde n- nêutron, p- próton, e- - elétron, e+ é um antineutrino do elétron. No entanto, deve-se ter em mente que a regra acima não significa que qualquer ato de interação fraca deva ser acompanhado por um neutrino ou antineutrino. Sabe-se que ocorre um grande número de decaimentos sem neutrinos. Como exemplo, podemos observar o processo de decaimento do hiperon lambda D em um próton p+ e um píon carregado negativamente p– . De acordo com conceitos modernos, o nêutron e o próton não são partículas verdadeiramente elementares, mas consistem em partículas elementares chamadas quarks.
A intensidade da interação fraca é caracterizada pela constante de acoplamento de Fermi G F. Constante G F dimensional. Para formar uma quantidade adimensional, é necessário usar algum tipo de massa de referência, por exemplo, a massa de um próton m p. Então a constante de acoplamento adimensional será. Pode-se observar que a interação fraca é muito mais intensa que a gravitacional.
A interação fraca, em contraste com a gravitacional, é de curto alcance. Isso significa que a interação fraca entre as partículas só entra em jogo se as partículas estiverem próximas o suficiente umas das outras. Se a distância entre as partículas exceder um determinado valor, chamado raio de interação característico, a interação fraca não se manifesta. Foi estabelecido experimentalmente que o raio característico da interação fraca da ordem de 10-15 cm, ou seja, a interação fraca, concentra-se em distâncias menores que o tamanho do núcleo atômico.
Por que podemos falar sobre a interação fraca como uma forma independente de interações fundamentais? A resposta é simples. Foi estabelecido que existem processos de transformação de partículas elementares que não podem ser reduzidos a interações gravitacionais, eletromagnéticas e fortes. Um bom exemplo mostrando que existem três interações qualitativamente diferentes em fenômenos nucleares está relacionado à radioatividade. Experimentos indicam a presença de três tipos diferentes de radioatividade: decaimentos α-, β- e γ-radioativos. Neste caso, o decaimento α é devido à forte interação, o decaimento γ é devido ao eletromagnético. O decaimento β restante não pode ser explicado pelas interações eletromagnética e forte, e somos forçados a aceitar que existe outra interação fundamental chamada fraca. No caso geral, a necessidade de introduzir uma interação fraca deve-se ao fato de que processos ocorrem na natureza em que decaimentos eletromagnéticos e fortes são proibidos por leis de conservação.
Embora a interação fraca esteja essencialmente concentrada dentro do núcleo, ela tem certas manifestações macroscópicas. Como já observamos, está associado ao processo de radioatividade β. Além disso, a interação fraca desempenha um papel importante nas chamadas reações termonucleares responsáveis pelo mecanismo de liberação de energia nas estrelas.
A propriedade mais surpreendente da interação fraca é a existência de processos nos quais a assimetria do espelho se manifesta. À primeira vista, parece óbvio que a diferença entre os conceitos de esquerda e direita é arbitrária. De fato, os processos de interações gravitacionais, eletromagnéticas e fortes são invariantes em relação à inversão espacial, que implementa a reflexão do espelho. Diz-se que em tais processos se conserva a paridade espacial P. No entanto, foi estabelecido experimentalmente que processos fracos podem prosseguir com a não conservação da paridade espacial e, portanto, parecem sentir a diferença entre esquerda e direita. Atualmente, há evidências experimentais sólidas de que a não conservação da paridade em interações fracas é de natureza universal; ela se manifesta não apenas nos decaimentos de partículas elementares, mas também em fenômenos nucleares e até atômicos. Deve-se reconhecer que a assimetria do espelho é uma propriedade da Natureza no nível mais fundamental.
A não conservação da paridade em interações fracas parecia ser uma propriedade tão incomum que quase imediatamente após sua descoberta, os teóricos tentaram mostrar que de fato existe uma simetria completa entre esquerda e direita, só que tem um significado mais profundo do que se pensava anteriormente. A reflexão do espelho deve ser acompanhada pela substituição de partículas por antipartículas (conjugação de carga C), e então todas as interações fundamentais devem ser invariantes. No entanto, posteriormente verificou-se que esta invariância não é universal. Existem decaimentos fracos dos chamados kaons neutros de vida longa em píons p + , p - , que são proibidos se a invariância indicada realmente ocorrer. Assim, a propriedade distintiva da interação fraca é sua não invariância CP. É possível que esta propriedade seja responsável pelo fato de a matéria no Universo prevalecer significativamente sobre a antimatéria, construída a partir de antipartículas. O mundo e o antimundo não são simétricos.
A questão de quais partículas são portadoras da interação fraca não ficou clara por muito tempo. A compreensão foi alcançada há relativamente pouco tempo no âmbito da teoria unificada das interações eletrofracas - a teoria de Weinberg-Salam-Glashow. Agora é geralmente aceito que os portadores da interação fraca são os chamados bósons W + - e Z 0 -. Estas são partículas elementares carregadas W + e neutras Z 0 com spin 1 e massas iguais em ordem de grandeza a 100 m p.
O diagrama de Feynman do decaimento beta de um nêutron em um próton, um elétron e um antineutrino de elétron através de um bóson W intermediário é uma das quatro interações físicas fundamentais entre partículas elementares, juntamente com gravitacional, eletromagnética e forte. Sua manifestação mais conhecida é o decaimento beta e a radioatividade associada. A interação é denominada fraco já que a intensidade do campo que lhe corresponde é 10 13 menor que nos campos que unem partículas nucleares (núcleons e quarks) e 10 10 menor que o de Coulomb nestas escalas, mas muito mais forte que o gravitacional. A interação tem curto alcance e se manifesta apenas a distâncias da ordem do tamanho do núcleo atômico.
A primeira teoria da interação fraca foi proposta por Enrico Fermi em 1930. Ao desenvolver a teoria, ele utilizou a hipótese de Wolfgang Pauli sobre a existência de uma nova partícula elementar do neutrino naquela época.
A interação fraca descreve os processos de física nuclear e física de partículas elementares que ocorrem de forma relativamente lenta, em contraste com os processos rápidos devido à interação forte. Por exemplo, a meia-vida de um nêutron é de cerca de 16 minutos. – Eternidade em relação aos processos nucleares, que são caracterizados por um tempo de 10 -23 s.
Para comparação cobrado pions? ± decai através da interação fraca e tem um tempo de vida de 2,6033 ± 0,0005 x 10 -8 s, enquanto o píon neutro? 0 decai em dois quanta gama por meio de interação eletromagnética e tem um tempo de vida de 8,4 ± 0,6 x 10 -17 s.
Outra característica da interação é o livre caminho médio das partículas na matéria. Partículas que interagem por meio de interação eletromagnética - partículas carregadas, gamma quanta, podem ser retidas por uma placa de ferro com várias dezenas de centímetros de espessura. Enquanto um neutrino, interagindo apenas fracamente, passa, sem colidir nem uma vez, por uma camada de metal de um bilhão de quilômetros de espessura.
A interação fraca envolve quarks e léptons, incluindo neutrinos. Neste caso, o aroma das partículas muda, ou seja, seu tipo. Por exemplo, como resultado do decaimento de um nêutron, um de seus quarks d se transforma em um quark u. Os neutrinos são únicos porque interagem com outras partículas apenas por trás de uma interação gravitacional fraca, e ainda fraca.
De acordo com os conceitos modernos formulados no Modelo Padrão, a interação fraca é transportada pelos bósons de calibre W e Z, que foram descobertos em aceleradores em 1982. Suas massas são 80 e 90 massas de prótons. A troca de bósons W virtuais é chamada de corrente carregada, a troca de bósons Z é chamada de corrente neutra.
Os vértices dos diagramas de Feynman descrevendo possíveis processos envolvendo bósons de calibre W e Z podem ser divididos em três tipos:Um lépton pode viprominite ou absorver um W-boson e se transformar em um neutrino;
um quark pode viprominar ou absorver um bóson W e mudar seu sabor, tornando-se uma superposição de outros quarks;
lépton ou quark podem absorver ou viprominites Z-bosonA capacidade de uma partícula de interagir fracamente é descrita por um número quântico, que é chamado de isospin fraco. Os possíveis valores de isospin para partículas que podem trocar bósons W e Z são ± 1/2. São essas partículas que interagem através da força fraca. Partículas com zero isospin fraco não interagem além da mutualidade fraca, para as quais os processos de troca W e Z por bósons são impossíveis. O isospin fraco é preservado em reações entre partículas elementares. Isso significa que o isospin fraco total de todas as partículas envolvidas na reação permanece inalterado, embora os tipos de partículas possam mudar.
Uma característica da interação fraca é que ela viola a paridade, uma vez que apenas férmions com quiralidade à esquerda e antipartículas de férmions com quiralidade à direita têm a capacidade de interação fraca através de correntes carregadas. A não conservação da paridade na interação fraca foi descoberta por Yang Zhenning e Li Zhengdao, pelo qual receberam o Prêmio Nobel de Física em 1957. A razão para a não conservação da paridade é vista na quebra espontânea de simetria. No quadro do Modelo Padrão, uma partícula hipotética, o bóson de Higgs, corresponde à quebra de simetria. Esta é a única parte do modelo comum que ainda não foi detectada experimentalmente.
No caso de interação fraca, a simetria CP também é violada. Esta violação foi revelada experimentalmente em 1964 em experimentos com o kaon. Os autores da descoberta, James Cronin e Val Fitch, receberam o Prêmio Nobel de 1980. A violação da simetria do CP ocorre com muito menos frequência do que a violação da paridade. Isso também significa, uma vez que a conservação da simetria CPT é baseada em princípios físicos fundamentais - transformações de Lorentz e interações de curto alcance, a possibilidade de violação da simetria T, ou seja, não invariância de processos físicos em termos de mudança de direção do tempo.Em 1969, foi construída uma teoria unificada das interações eletromagnética e nuclear fraca, segundo a qual, a energias de 100 GeV, que corresponde a uma temperatura de 10 15 K, a diferença entre processos eletromagnéticos e fracos desaparece. A verificação experimental da teoria unificada das interações nucleares eletrofracas e fortes requer um aumento na energia dos aceleradores em cem bilhões de vezes.
A teoria da interação eletrofraca é baseada no grupo de simetria SU(2).
Apesar de sua pequena magnitude e curta duração, a interação fraca desempenha um papel muito importante na natureza. Se fosse possível “desligar” a interação fraca, o Sol se apagaria, pois o processo de conversão de um próton em um nêutron, um pósitron e um neutrino se tornaria impossível, como resultado do qual 4 prótons se transformam em 4 Ele, dois pósitrons e dois neutrinos. Este processo é a principal fonte de energia do Sol e da maioria das estrelas (ver Ciclo do Hidrogênio). Processos de interação fraca são importantes para a evolução das estrelas, pois causam a perda de energia de estrelas muito quentes em explosões de supernovas com a formação de pulsares, etc. Se não houvesse interação fraca na natureza, múons, mésons pi e outras partículas seriam estáveis e difundidas na matéria comum. Um papel tão importante da interação fraca se deve ao fato de ela não obedecer a uma série de proibições características das interações fortes e eletromagnéticas. Em particular, a interação fraca transforma léptons carregados em neutrinos e quarks de um sabor em quarks de outro.
