Oddziaływania słabe

Procesy zachodzące pod wpływem oddziaływań słabych

Jak wiemy, cząstki elementarne materii dzielą się na trzy leptony naładowane elektrycznie , , , trzy neutrina , , (każda z tych sześciu cząstek ma oczywiście swoją antycząstkę) oraz na hadrony (bariony, mezony i kwarki będące ich składnikami), które oddziałują także silnie. Procesy zachodzące pod wpływem oddziaływań słabych można więc podzielić na trzy grupy:

• Procesy leptonowe, w których uczestniczą tylko leptony. Najlepiej poznanym jest rozpad β mionu

[49]

Mierzony czas życia mionu, s pozwala wyznaczyć z dużą precyzją efektywną stałą sprzężenia oddziaływań słabych, tzw. stałą Fermiego , którą dokładniej definiujemy nieco dalej. Rozpad ten można przedstawić graficznie jak na rysunku 25, na którym linia falista oznacza wymianę bozonu .

Rysunek 25. Rozpad mionu zachodzący przez wymianę bozonu

Duża masa bozonu w porównaniu z masą mionu (zadającą skalę energetyczną tego procesu) powoduje, że oddziaływanie przenoszone przez tę cząstkę jest bardzo krótkozasięgowe (por. uwagi o zasięgu w rozdziale 2): m i w pierwszym przybliżeniu można je uważać za oddziaływanie punktowe.

Jak widać w procesach leptonowych mogą uczestniczyć jednocześnie (należące do różnych rodzin - patrz rozdział 1) leptony naładowane i odpowiadające im (anty)neutrina. Istnienie trzech rodzajów neutrin jest potwierdzone doświadczalnie. Neutrina przyporządkowane są leptonom naładowanym przez fakt, że (w zasadzie) tylko jeden rodzaj neutrin oddziałuje z danym leptonem naładowanym i bozonem (wrócimy jeszcze do tego w dalszej części tego rozdziału). Za oddziaływania słabe leptonów są więc odpowiedzialne elementarne sprzężenia pokazane na rys. 26. Uniwersalność oddziaływań słabych polega na tym, że stała sprzężenia bozonu do pary jest taka sama jak jego sprzężenia do par i i do par kwarków (w tym ostatnim przypadku po uwzględnieniu mieszania kwarków, które omawiamy dalej w tym rozdziale).

Rysunek 26. Elementarne procesy oddziaływania słabego

Dodajmy w tym miejscu od razu, iż istnieją także, odkryte znacznie później, procesy słabe zachodzące pod wpływem wymiany neutralnego bozonu , np. elastyczne rozpraszanie neutrina elektronowego na elektronie:

[50]

Dynamikę tego procesu przedstawia rysunek 27a.

Rysunek 27. Elastyczne rozpraszanie antyneutrina elektronowego i mionowego na elektronie zachodzące przez: a) wymianę bozonu , b) wymianę bozonu (tylko dla rozpraszania antyneutrina elektronowego)

Obserwowane doświadczalnie różnice między procesem (50), a procesem , który może zachodzić także poprzez wymianę bozonu pokazaną na rys. 27b, są też jednym z dowodów na istnienie różnych rodzajów neutrin.

• Procesy semileptonowe, w których uczestniczą leptony i hadrony. Najbardziej znanym procesem tego typu jest rozpad β neutronu oraz rozpady β jąder atomowych. Czasy życia:

świadczą, że za te rozpady semileptonowe również odpowiedzialne są oddziaływania słabe.