Слабое взаимодействие — одно из четырёх фундаментальных взаимодействий в природе, наряду с гравитационным, электромагнитным и сильным. Оно отвечает за процессы, в которых происходит изменение типа кварка или лептона, включая бета-распад, распад мезонов, ядерный синтез в звёздах и разнообразные реакции с нейтрино. В отличие от электромагнитного и сильного взаимодействий, слабое имеет чрезвычайно малый радиус действия, порядка 10−18 метров, что связано с массивностью переносчиков взаимодействия — W- и Z-бозонов.
Слабое взаимодействие нарушает ряд симметрий, которые сохраняются в других типах взаимодействий. Среди них — нарушение чётности (P), комбинированной чётности (CP) и, возможно, T-симметрии, что делает его уникальным и особенно важным в контексте физики элементарных частиц.
Слабое взаимодействие осуществляется посредством обмена массивными калибровочными бозонами: W+, W− и Z0. Эти частицы были предсказаны в рамках электрослабой теории и экспериментально открыты в 1983 году в ЦЕРНе. Массы этих бозонов составляют:
Их высокая масса напрямую связана с коротким радиусом действия слабого взаимодействия, согласно соотношению неопределённости Гейзенберга. В отличие от фотона, переносящего электромагнитное взаимодействие, W- и Z-бозоны не являются безмассовыми, что также приводит к экспоненциальному затуханию потенциала слабого поля.
Слабое взаимодействие исключительно действует на лево-закрученные фермионы и право-закрученные антифермионы. Это означает, что оно полностью нарушает P-симметрию (инвариантность при пространственном отражении). Экспериментальное подтверждение этому было получено в 1956 году в знаменитом эксперименте Чень-Шен Ву по бета-распаду кобальта-60, где обнаружили, что направление выброса электронов не симметрично относительно оси спина ядер.
В рамках Стандартной модели это объясняется тем, что калибровочное поле слабого взаимодействия взаимодействует только с левыми изоспиновыми дублетами SU(2), а правые фермионы являются изоспин-синглетами и не участвуют в слабом взаимодействии напрямую.
Фермионы в Стандартной модели организуются в изоспиновые дублеты. Например:
Лептоны:
$$ \begin{pmatrix} \nu_e \\ e^- \end{pmatrix}_L ,\quad \begin{pmatrix} \nu_\mu \\ \mu^- \end{pmatrix}_L ,\quad \begin{pmatrix} \nu_\tau \\ \tau^- \end{pmatrix}_L $$
Кварки:
$$ \begin{pmatrix} u \\ d \end{pmatrix}_L ,\quad \begin{pmatrix} c \\ s \end{pmatrix}_L ,\quad \begin{pmatrix} t \\ b \end{pmatrix}_L $$
Изоспиновая симметрия SU(2) взаимодействует с этими дублетами, а гиперзаряд U(1)_Y необходим для корректного описания электрослабой унификации. Связь между электрическим зарядом, слабым изоспином T3 и гиперзарядом Y задаётся формулой:
$$ Q = T_3 + \frac{Y}{2} $$
Слабое взаимодействие подразделяется на две категории:
Заряженные токи (через W-бозоны): Примеры — бета-распад нейтрона, лептонные распады (например, μ− → e− + ν̄e + νμ). В этих процессах происходит смена типа частицы (лептонный аромат или тип кварка), и всегда участвует изменение электрического заряда.
Нейтральные токи (через Z-бозон): В этих процессах тип частицы сохраняется. Например, рассеяние нейтрино на электроне νe + e− → νe + e−. Впервые нейтральные токи были обнаружены в 1973 году в эксперименте в лаборатории CERN.
Слабое взаимодействие — единственный тип взаимодействия, при котором допускается изменение аромата кварков и лептонов. Так, кварк d может превратиться в u (и наоборот) через обмен W-бозоном. Это приводит к необходимости введения матрицы Кабиббо — Кобаяши — Маскавы (CKM), описывающей вероятности переходов между кварками различных поколений. Аналогичная матрица — PMNS — используется для описания нейтринных осцилляций.
Матрица CKM:
$$ \begin{pmatrix} V_{ud} & V_{us} & V_{ub} \\ V_{cd} & V_{cs} & V_{cb} \\ V_{td} & V_{ts} & V_{tb} \end{pmatrix} $$
Каждый элемент — это амплитуда вероятности перехода между определёнными типами кварков.
Слабое взаимодействие лежит в основе бета-распада:
Бета-минус (β−) распад:
n → p + e− + ν̄e
Происходит преобразование кварка d → u, сопровождающееся испусканием W⁻, который распадается на электрон и электронное антинейтрино.
Бета-плюс (β+) распад:
p → n + e+ + νe
Здесь u → d, с участием W⁺.
Захват электрона (обратный процесс):
p + e− → n + νe
Эти процессы играют важнейшую роль в ядерной физике, радиоактивности, эволюции звёзд и астрофизике.
Слабое взаимодействие объединено с электромагнитным в единую электрослабую теорию, разработанную Саламом, Вайнбергом и Глэшоу. Эта теория описывается симметрией SU(2)L × U(1)Y, которая спонтанно нарушается механизмом Хиггса.
В результате симметрия разрушается, и три калибровочных бозона (из четырёх начальных) приобретают массу, формируя W⁺, W⁻ и Z⁰, а оставшийся безмассовый бозон — фотон — несёт электромагнитное взаимодействие.
Наличие механизма Хиггса предсказывало существование скалярного бозона — бозона Хиггса, открытого в 2012 году. Он обеспечивает массы не только W- и Z-бозонам, но и фундаментальным фермионам, взаимодействуя с ними пропорционально их массам.
Нейтрино взаимодействуют исключительно слабо, что делает их трудноуловимыми. Однако слабое взаимодействие позволяет:
Факт наличия осцилляций требует ненулевых масс нейтрино, что выходит за рамки минимальной Стандартной модели и открывает дорогу к новой физике.
Одной из уникальных черт слабого взаимодействия является возможность нарушения CP-симметрии — симметрии между материей и антиматерией. Это явление впервые было обнаружено в системе каонов в 1964 году, а позднее — в B-мезонах. Оно связано с комплексными фазами в матрице CKM и PMNS и играет центральную роль в объяснении барионной асимметрии Вселенной.
CP-нарушение в слабом взаимодействии делает возможным различие в поведении частиц и античастиц, что является необходимым условием (согласно условиям Сахарова) для генерации избытка материи над антиматерией в ранней Вселенной.
Слабое взаимодействие имеет колоссальное значение в следующих явлениях:
Слабое взаимодействие обеспечивает связь между микрофизикой элементарных частиц и макрофизическими явлениями космоса.