Квантовая хромодинамика (КХД) определяет основные динамические законы, согласно которым протоны, нейтроны и другие адроны образуются из кварков и глюонов, а также описывает силы, связывающие ядра, – так называемое сильное взаимодействие. Квантовая электродинамика (КЭД) управляет мирами света, атомов и химии, как мы уже обсудили.
Однако ни одна из этих двух больших теорий не включает процессы, в ходе которых протоны превращаются в нейтроны, и наоборот. И все же такие превращения происходят. Как же мы можем их учесть? Чтобы объяснить эти события, физикам пришлось ввести еще одно взаимодействие в дополнение к гравитации, электромагнитному и сильному взаимодействию.
Это новое дополнение, эту четвертую фундаментальную силу называют слабым взаимодействием. Слабое взаимодействие завершает наше современное понимание физики – Главную теорию.
Жизнь на Земле поддерживается за счет совсем небольшой доли энергии, излучаемой Солнцем, которая приходит к нам в виде солнечного света. Солнце получает свою энергию, превращая протоны в нейтроны и выделяя при этом энергию. Слабое взаимодействие в этом очень особом смысле делает возможной существование жизни.
Основы слабого взаимодействия
Полное описание слабого взаимодействия потребовало бы знакомства с двумя большими группами персонажей – со сбивающей с толку толпой частиц и с длинным почетным списком исследователей, а также привело бы к обсуждению подробностей, не имеющих прямого отношения к нашим главным темам. Здесь я ограничусь кратким, упрощенным описанием двух самых ярких фактов, выбранных благодаря их фундаментальному значению и с прицелом для дальнейшего использования. Наши знания подытожены на цветных вклейках RR, SS, TT и UU, которые обеспечивают основу для постижения окончательного объединения. Возможно, вам захочется обращаться к этим изображениям по мере того, как мы будем продвигаться вперед, чтобы не запутаться.
Превращения кварков. Поскольку протоны и нейтроны, как мы уже обсудили, являются сложными соединениями более фундаментальных кварков и глюонов, мы должны найти и более фундаментальную причину превращений протон ↔ нейтрон. Глубинной структурой, лежащей в основе этих превращений, является следующий кварковый процесс:
Так как основой нейтронов являются тройки кварков udd, в то время как основой протонов – тройки uud, то превращение кварка d → u позволяет превратить нейтрон в протон. Такое превращение сопровождается испусканием электрона e и антинейтрино ν̅. Таким образом, взаимодействие между кварками, лежащее в основе процесса, на уровне адронов реализуется как
Этот медленный распад является судьбой изолированных нейтронов. (Их среднее время жизни – 15 минут, а стабильны нейтроны только тогда, когда связаны в ядрах.)
Основные правила квантовой механики говорят нам, что мы также получим допустимые процессы, если заменим какую-нибудь частицу ее античастицей и перенесем ее в противоположную сторону реакции либо если мы обратим направление стрелки в реакции. Применяя эти правила к нашему процессу d + u → e + ν̅, мы находим такие возможные процессы, как
и множество других. Они дают начало целому ряду форм ядерного распада (радиоактивности), дестабилизируют другие адроны и обуславливают многие превращения в космологии и астрофизике, включая синтез всех химических элементов из первоначальной смеси протонов и нейтронов. В качестве примера возможных реакций: первый из этих процессов, d + u̅ → e + ν̅, приводит непосредственно к распаду π̅-мезона (в основе которого как раз лежит кварк-антикварковая пара du̅) на электрон и антинейтрино.
Спиральность и нарушение четности. Очень глубокий аспект слабого взаимодействия, названный нарушением четности, был теоретически обнаружен Ли и Янгом в 1956 г. Чтобы описать его, мы должны ввести понятие спиральности[74] частицы. Оно применяется к частицам, которые одновременно движутся и вращаются.
Если объект вращается вокруг некоторой оси, мы можем присвоить этой оси направление следующим образом: представьте себе наш вращающийся объект как фигуристку на коньках. Если при вращении ее правая рука движется вперед, в сторону живота, мы выбираем направление от ее ног к голове; если же вращение приближает ее правую руку к спине, мы выбираем направление от головы к ногам.
У частиц, которые нам интересны, есть небольшое собственное вращение, известное как спин. Они всегда вращаются, как неустанные фигуристки на льду. Мы можем применить к ним ту же логику и получить направление, связанное с вращением. Если наша частица движется в том же направлении, мы говорим, что частица правая. Если она движется в противоположном направлении, мы говорим, что она левая. Другими словами, спиральность частицы задает направление ее вращения относительно ее скорости.
Ли и Янг предположили, что левые кварки, электроны и нейтрино (а также мюоны и τ-лептоны) участвуют в слабом взаимодействии, так же как и правые антикварки, антиэлектроны (позитроны) и антинейтрино (а также антимюоны и анти-τ-лептоны), а вот частицы с противоположной спиральностью этого не делают. Эксперименты подтвердили их предположение.
