2. Слабые распады. Константа слабого взаимодействия.

Распады за счет слабых сил идут с сохранением лептонных зарядов (также как электрического и барионного), однако четность, изоспин, проекция изоспина, странность (S), очарование (C), bottom (B) è top (T), т.е. кварковые квантовые числа могут не сохраняться (при слабых распадах адронов что-то из них обязательно не сохраняется).

Для нейтрона распад

n p + e^- + _e (12.7)

- единственный распад, допустимый законами сохранения энергии, электрического, барионного и лептонного зарядов. Примеры слабых распадов адронов - распады

+ , 100%, (12.8)

e + , 10^-4%.

Время жизни ™- ™2.610^-8 ñåê.

Распад ^o происходит за счет электромагнитного взаимодействия

^o 2 (98.8%), (12.9)

^o e⁺ + e^-+ (1.2%)

и протекает значительно быстрее (10^-16 сек). В резком различии ™ для è ^o проявляется различие в интенсивностях электромагнитных и слабых сил. Сильные распады протекают за времена 10^-23-10^-24 ñåê.

Для двухузловых диаграмм

. (12.10)

Пользуясь этим соотношением, можно из эксперимента извлечь величину _w. Реакции è ^o для этого не подходят, т.к. продукты распада разные. Можно извлечь _w из сравнения времен жизни ^- è ^-. Эти частицы имеют близкие массы (1232 и 1197 МэВ/с²) и распадаются одинаково

^- n + ^- 10^-23 сек (сильный распад), (12.11)

^- n + ^- 1.510^-10 сек (слабый распад).

Используя (12.10), получаем

. (12.12)

Откуда, т.к. _s1, имеем _w10^-6.

Кварковые диаграммы распадов ^- è ^- приведены на рис.12.1.

Ðèñ. 12.1

3. Заряженные и нейтральные слабые токи

Слабые распады идут в тех случаях, когда запрещены сильные или электромагнитные распады. Обычно время слабых распадов >10^-13 сек. Слабые распады могут быть трех типов:

1. Лептонные (безадронные), например,

⁺ e⁺ +_e +, (12.13)

^- e^- ++.

2. Лептон-адронные (полулептонные), например,

n p + e^- + _e, (12.14)

+ .

3. Адронные (безлептонные), например,

^- n + ^-, (12.15)

^{- o} + ^-.

Появление нейтрино (антинейтрино) прямо указывает на то, что распад произошел за счет слабых сил, т.к. нейтрино может возникать лишь при распаде квантов слабого поля W, Z. Труднее всего идентифицировать взаимодействие, ответственное за безлептонный распад.

Уже говорилось о том, что в слабых распадах адронов, осуществляемых обменом W, не сохраняется по крайней мере одно из кварковых квантовых чисел - либо изоспин I, либо его проекция I₃, либо странность S, ëèáî Charm, ëèáî Bottom, ëèáî Top. Несохранение странности видно, например, из диаграммы распада ^- (s-кварк переходит в u-кварк) - рис. 12.1. Безнейтринный слабый распад идентифицируют по тому квантовому числу (одному или нескольким), которые не сохраняются.

Рассмотрим распад нейтрона np+e^-+

Ðèñ. 12.2

Распад нейтрона - это распад d-кварка du+e^-+, в котором не сохраняется проекция изоспина (рис.12.3).

Ðèñ. 12.3

Из рис.12.3 поворотом линий u- è d-кварков получается рис.12.4.

Ðèñ.12.4

где слева - пара (вилка) кварк-антикварк , а справа - пара (вилка) лептон-антилептон одного поколения.

Много кварковых слабых процессов, родственных распаду d-кварка, в частности, èëè ue⁺_e. Эти последние процессы - способы распада ^- è ⁺, хотя и не основные.

Из уже ранее встречавшихся видов распада (12.8) следует возможность и таких процессов, как è u⁺.

Легко, пользуясь законами сохранения электрического заряда, составить таблицу элементарных процессов, в которых появляется или исчезает заряженный квант слабого поля W. Эти процессы мы будем объединять понятием “заряженный слабый ток” по аналогии с тем, как обычный электрический ток (движущийся электрический заряд) является источником квантов электромагнитного поля - фотонов. Эти слабые токи могут быть либо кварковыми (вилка ), либо лептонными (вилка лептон-антилептон одного из трех возможных поколений). Всего получается 12 вариантов заряженных токов (9 кварковых и 3 лептонных). Приведем все их дляW^-

- 9 кварковых, (12.16)

e^-_e, ^-, ™^- - 3 лептонных.

Заряженные токи, отвечающие W⁺, получаются заменой частиц на античастицы в заряженных токах W^-. Видно, что слабые взаимодействия, происходящие за счет обмена W, меняют ароматы кварков, т.е. не сохраняют I, I₃, S, C, B, T.

Существуют также нейтральные слабые токи, связанные с электрически нейтральным квантом слабого поля Z-бозоном. Эти токи не меняют электрических зарядов участвующих частиц (лептонов и кварков). Они истинно нейтральны, т.к. не меняют и других (кварковых) квантовых чисел. Нейтральные слабые токи ответственны, например, за такие процессы как

		Ðèñ. 12.5
à	á

На рис.12.5 б вместо кварковых линий могут быть линии протона, нейтрона (и вообще любого адрона) или любого лептона. Поворот этой диаграммы на 90^o äàåò ðèñ.12.6.

Ðèñ. 12.6

Все процессы, представленные на рис.12.5 и 12.6, с большей вероятностью идут за счет электромагнитного взаимодействия, т.е. во всех диаграммах вместо Z можно нарисовать виртуальный фотон.

Рисунок 12.6 дает полное представление о всех возможных вариантах нейтральных слабых токов. Эти токи образованы либо кварками (вилка ), либо лептонами (вилка лептон-антилептон) одинакового аромата. Всего существует 6 кварковых и 6 лептонных нейтральных слабых токов

- 6 кварковых (12.17)

e^-e⁺, ^-+, ™^-™⁺,_ee, ,- 6 лептонных.

Кванты слабого поля W, Z были предсказаны в 60-е годы Глэшоу, Саламом и Вайнбергом в рамках созданной ими электрослабой модели. В 1979 г. за эту работу им была присуждена Нобелевская премия. До этого в 1973 г. были открыты предсказанные ими нейтральные слабые токи. Кванты слабого поля W, Z были найдены в 1983 г. в специально поставленных экспериментах в CERN (Швейцария) на p-коллайдереSPS с энергией каждого пучка 270 ГэВ. В 1983 г. за это открытие Руббиа - руководитель коллектива экспериментаторов и Ван дер Меер, возглавивший создание коллайдера SPS, были удостоены Нобелевской премии.