Oddziaływania słabe

Rozpady słabe hadronów na hadrony i leptony są obecnie zrozumiane w sposób jednolity jako konsekwencja słabych oddziaływań kwarków wchodzących w skład hadronów. Rozpad β neutronu można przedstawić graficznie jak na rys. (29),

Rysunek 29. Rozpad neutronu jako oddziaływanie kwarków

na którym linia falista oznacza wymianę bozonu odpowiedzialną za słabe oddziaływanie jednego z kwarków tworzących neutron. Pod wpływem tego oddziaływania jeden z kwarków przechodzi w kwark i łączy się z pozostałymi dwoma kwarkami tworząc proton. W przybliżeniu oddziaływania punktowego możemy mówić o oddziaływaniu czterech fermionów . Podobnie można też zrozumieć rozpad pionu (rysunek (30))

Rysunek 30. Rozpad pionu jako oddziaływanie kwarków

jako proces, w którym kwarki i anihilują, dając wirtualny bozon , który następnie przekształca się w parę . Oba zatem omawiane tu procesy dają się wytłumaczyć jako skutek elementarnego sprzężenia bozonu do pary kwarków . Sprzężenie to, jak się okazuje, jest co do wartości bardzo bliskie sprzężeniu do par naładowany lepton-neutrino.

Zasadniczo nową informację daje zbadanie rozpadu hadronów dziwnych na hadrony niedziwne, tzn. reakcje w których dziwność zmienia się o jeden: . Rozpatrzmy np. rozpad (gdzie w nawiasie podany jest skład kwarkowy hadronu). Interpretując bardzo naiwnie model kwarkowy i oddziaływania słabe kwarków, przedstawilibyśmy ten rozpad tak jak na rysunku (31)

Rysunek 31. Rozpad cząstki jako oddziaływanie kwarków

Oznaczałoby to, że musi istnieć zarówno oddziaływanie , jak i oddziaływanie . Założenie takie w połączeniu z hipotezą uniwersalności oddziaływań bozonów prowadzi do wielkich trudności teoretycznych i nie daje się pogodzić z innymi wynikami eksperymentalnymi. Rozwiązanie, które realizuje się w przyrodzie jest znacznie ciekawsze. Otóż mające określone masy kwarki wchodzące w skład hadronów są pewnymi kombinacjami stanów kwarkowych oddziałujących słabo (z bozonami ). Nie jest to wcale aż tak bardzo dziwne. Hadrony są bowiem zbudowane z kwarków oddziałujących silnie i mających niezerowe masy. W teorii podstawowej masa kwarków jest jednak tylko efektywnym opisem pewnych oddziaływań kwarków bezmasowych. I to właśnie bezmasowe kwarki są podstawowymi obiektami oddziałującymi słabo. Jest to zgodne zgodne z chiralną strukturą oddziaływań słabych, o której będzie mowa dalej.

Załóżmy, że oddziaływania odpowiedzialne za masy kwarków mieszają takie oddziałujące słabo stany kwarków. Możliwe jest oczywiście tylko mieszanie się kwarków tak samo oddziałujących elektromagnetycznie (tj. mających takie same ładunki elektryczne), np.

[58]

gdzie przez and oznaczyliśmy kwarki mające określone masy, a przez kwarki oddziałujące słabo. Rozpad cząstki można teraz przedstawić jak na rysunku 32.

Rysunek 32. Rozpad cząstki zachodzący wyniku mieszania się kwarków i . oznacza przejście kwarka w kwark w wyniku mieszania z amplitudą równą

Jeśli mieszanie (58) ma być ortogonalną transformacją w przestrzeni kwarków o takim samym ładunku to musi również zachodzić mieszanie

[59]

Rozpad neutronu należy wtedy przedstawiać jak na rysunku 33.

Rysunek 33. Rozpad neutronu z uwzględnieniem mieszania kwarków. oznacza przejście kwarka w kwark w wyniku mieszania z amplitudą równą