Четырёхфермионная теория слабого взаимодействия

Четырёхфермионная теория слабого взаимодействия — теория слабого взаимодействия, предполагающая, что превращение нуклона при бета-распаде осуществляется в результате взаимодействия адронного тока, переводящего, например, нейтрон в протон, и лептонного тока, рождающего, например электрон и антинейтрино. Построена по аналогии теории взаимодействия заряда и электромагнитного поля в квантовой электродинамике. Является первой теорией слабых взаимодействий. Создана Энрико Ферми в 1934 году[1]

Описание править

По правилам теории возмущений квантовой механики, вероятность перехода квантовой системы в единицу времени из одного состояния в другое составляет  , где   — гамильтониан взаимодействия,   — число конечных состояний системы на единичный интервал энергии,   — волновая функция начального состояния системы,   — волновая функция конечного состояния системы.

Основным предположением четырёхфермионной теории слабого взаимодействия является предположение о виде гамильтониана и волновых функций начального и конечного состояния[2][3][4]:  , где   — константа Ферми,  ,  ,   — волновые функции конечного состояния нуклона, электрона и нейтрино,   — волновая функция начального состояния нуклона,   — матрицы Дирака.

Значения волновых функций электрона и нейтрино берутся в точке пространства, где находится нуклон, интегрирование производится лишь по координатам нуклона. Это аналогично рассмотрению взаимодействия электрона с фотоном в квантовой электродинамике, где предполагается, что электрон и фотон находятся в одной точке.

При квантовом описании слабого взаимодействия его гамильтониан имеет вид:  , где   - оператор рождения протона (или уничтожения антипротона),   - оператор уничтожения нейтрона (или рождения антинейтрона),   - оператор рождения электрона (или уничтожения позитрона),   - оператор уничтожения нейтрино (или рождения антинейтрино).[5]

Величина   называется заряженным четырехмерным (векторным) нуклонным током. В современной теории слабого взаимодействия он является суммой трех слагаемых:   токов. Здесь   - линейные комбинации кварков  , определяемые матрицей Кобаяши-Маскавы.  ,   - четыре матрицы Дирака,  ,  .[5]

Величина   называется заряженным четырехмерным (векторным) лептонным током. В современной теории слабого взаимодействия он также является суммой трех слагаемых:  [5].

Обычный электромагнитный ток, используемый в квантовой электродинамике  , где   - оператор рождения электрона (или уничтожения позитрона),   - оператор уничтожения электрона (или рождения позитрона) не меняет заряд частиц, поэтому он называется нейтральным током.

Теория Ферми объясняет форму энергетического спектра и даёт среднее время жизни нейтрона, по порядку величины совпадающее с найденным из опыта[6].

Константа Ферми править

Константа Ферми обычно обозначается как   и имеет величину порядка 10−62 Дж⋅м3[3].

См. также править

Примечания править

  1. Fermi, E. Versuch einer Theorie der β-Strahlen. I (нем.) // Zeitschrift für Physik. — 1934. — Т. 88, № 3. — С. 161—177. — doi:10.1007/BF01351864. — Bibcode1934ZPhy...88..161F.
  2. Бете, 1958, с. 281.
  3. 1 2 Яворский, 2007, с. 975.
  4. Федоров В. В. Нейтронная физика. — СПб.: ПИЯФ, 2004. — c. 150
  5. 1 2 3 Окунь Л. Б. Слабое взаимодействие // Физический энциклопедический словарь. - М., Большая Российская энциклопедия, 2003. - с. 693
  6. Наумов А. И. Физика атомного ядра и элементарных частиц. - М., Просвещение, 1984. - С. 195-197

Литература править

  • Бете Г., Моррисон Ф. Элементарная теория ядра. — М.: Иностранная литература, 1958. — 670 с.
  • Яворский Б.М. Справочник по физике для инженеров и студентов вузов. — М.: Оникс, 2007. — 1056 с. — ISBN 978-5-488-01248-6.