ODDZIAŁYWANIA SŁABE A SKRĘTNOŚĆ.

 

Leptony i kwarki są fermionami o spinie 1/2 . Poruszający się fermion może mieć wektor spinu bądź zgodny z kierunkiem wektora prędkosci bądź też przeciwny. Pierwszą sytuację nazywamy prawoskrętną a drugą lewoskrętną.

     

stan prawoskrętny stan lewoskrętny

 

Skrętność fermionu można zmienić na przeciwną np. zatrzymując cząstkę i zmuszjąc ją do ruchu w przeciwną stronę ( bez zmiany kierunku spinu). Widać więc, że skrętność nie musi być wielkością zachowaną. Wyjątek stanowią fermiony o zerowej masie spoczynkowej (neutrina), które podobnie jak bezmasowe fotony, poruszją się z prędkością światła i nie można ich zatrzymać. Dla nich obowiązuje zachowanie skrętności. Zaobserwowano osobliwy fakt empiryczny: istnieją tylko lewoskrętne neutrina i tylko prawoskrętne antyneutrina!!! Stąd też w pierwszej generacji kwarkowo leptonowej mamy następujące stany:

 

 

lewo- i prawoskrętne trzeba wyraźnie rozróżniać, ponieważ okazuje się, że oddziaływania słabe działają tylko na lewoskrętne cząstki oraz ich antycząstki z wraz z antykolorami kwarków. Stany oraz na prawoskrętne antycząstki (leptony i kwarki). Tylko pomiędzy nimi zachodzi wymiana bozonów , a więc tylko one tworzą dublety oddziaływań słabych:

 

 

Pozostałe, czyli to singlety.

Przez analogię do oddziaływań elektromagnetycznych i silnych (kolorowych) wprowadzono pojęcie (i liczbę kwantową) tzw. "ładunku słabego oddziaływania" wytwarzającego pole, którego kwantami są bozony W oraz Z . Trafne okazało się następujace przypisanie ładunków słabych leptonom i kwarkom:

 

 

dla dubletów, zaś ładunek Q= 0 dla singletów, bo one nie podlegają oddziaływaniom słabym. Z wyjątkiem neutrin (traktowanych bezmasowo) pozostałe leptony i kwarki mogą swoją skrętność zmieniać i stawać się czułymi bądź nieczułymi na słabe oddziaływania. Dla dubletów grupą symetrii jest SU(2) o trzech parametrach, stąd trzy nośniki tych oddziaływań, bozony .

Bozony W mają zarówno ładunek elektryczny równy jak i słaby ladunek równy odpowiednio . Przykładowa przemiana elektronu w neutrino elektronowe z udziałem bozonu W przedstawia się następująco:

 

 

Bozon Z oraz foton g mają ładunek słaby równy zero (tak jak i elektryczny).

Przy niskich energiach zderzeń oddziaływania słabe są ok. 106 razy słabsze od elektromagnetycznych a ich zasięg jest rzędu 10-16cm. Przy bardzo dużych energiach, pozwalających "penetrować" wnętrza hadronów lub zbliżać się do leptonów (i kwarków) na odległości mniejsze niż 10-16 cm wymiana bozonu W lub fotonu stają sie porównywalnie prawdopodobne i oba rodzaje oddziaływań są jednakowo odczuwalne przez leptony i kwarki. Energia niezbędna do tak głębokiej penetracji jest rzędu 105 GeV. Przy tych energiach masy spoczynkowe bozonów W, Z (rzędu 80 GeV) stają się zaniedbywalne i różnica pomiędzy nimi a bezmasowym fotonem staje się też nieistotna. Mówimy wówczas o zunifikowaniu oddziaływań słabych i elektromagnetycznych przy wysokich energiach (lub temperaturach) i o wspólnej grupie symetrii SU(2)xU(1) dla tego zunifikowanego oddziaływania. Przy niskich energiach (temperaturach) różnica pomiędzy własnościami fotonu a bozonami W, Z staje się drastyczna. Mowimy wtedy o złamaniu wspólnej symetrii i rozdzieleniu obu typów oddziaływań.


Powrot do strony LEPTONY, HADRONY KWARKI