Поле слабого взаимодействия

Драма идей в познании природы

Долгое время слабое взаимодействие рассматривалось как 4-фермионное и казалось совершенно непохожим на электромагнитное. Однако в 1950-е годы были замечены черты аналогии: 4-фермионное взаимодействие есть прямое, неопосредованное полем взаимодействие двух слабых токов перехода. Теоретически более привлекательным казался путь рассматривать такое взаимодействие как низкоэнергетический предел взаимодействия, подобного электромагнитному, но с очень большой массой кванта поля взаимодействия. Чтобы элементарное взаимодействие тока (и заряда) слабого перехода с квантом поля слабого взаимодействия характеризовалось той же константой, что и аналогичный элементарный акт электромагнитного взаимодействия, требовалось, чтобы масса кванта слабого взаимодействия была порядка 100 гигаэлектронвольт. Кроме того, кванты слабого поля электрически заряжены. Из этого выросла современная теория слабого взаимодействия.

Выделим некоторые характерные черты этой теории. Рассмотрим электрон и электронное нейтрино. Это две разные частицы. Электрон электрически заряжен. Нейтрино электрически нейтрально. Но все же это очень схожие частицы. Это два лептона. Они имеют одно и то же лептонное электронное число. Наверняка для них все различия связаны с тем, что электрон - электрически заряжен, а нейтрино - нет. Но тогда эта пара совсем похожа на пару протон-нейтрон. Эти две частицы (электрон и нейтрино) можно рассматривать как разные состояния одного лептонного поля.

Положим в основу теории неразличимость зарядовых компонент лептонов. Тем самым мы попадаем в "зарядовое пространство", в пространство лептонного изоспина. Всевозможные переходы между лептонами - источники поля слабого взаимодействия. Теория Глешоу-Вайнберга-Салама вводит четыре типа полей взаимодействия лептонов.

Два поля, W⁺ и W^-, связаны с квантовыми переходами, в которых электрический заряд лептонов меняется. В квантовом переходе электрон-нейтрино (или антинейтрино-позитрон) должен рождаться отрицательно заряженный квант W^-. В квантовом переходе нейтрино-электрон (или позитрон-антинейтрино) должен испускаться положительно заряженный квант W⁺. В таких переходах заряд лептона меняется - это заряженные слабые токи перехода. Такие токи появлялись еще в теории Ферми (только без учета несохранения четности), входили в теорию универсального слабого взаимодействия. Но теперь эти токи прямо не взаимодействуют с другими слабыми токами. Слабое взаимодействие передается опосредованно через заряженное поле слабого взаимодействия, то есть через рождение и поглощение квантов этого поля, промежуточных бозонов слабого взаимодействия W^- и W⁺.

Третье поле - это поле электромагнитного взаимодействия электрически заряженных лептонов. Оно появляется в теории Глешоу-Вайнберга-Салама наряду с полями слабого взаимодействия. Но появлялось еще и четвертое поле, связанное с переходами нейтрино-нейтрино и электрон-электрон. В токах этих квантовых переходов электрический заряд частицы не меняется. Это нейтральные токи, подобные нейтральному электромагнитному току. В электромагнитном токе электрический заряд тоже не меняется. Только электромагнитный ток - источник электромагнитного поля. А нейтральные токи слабого взаимодействия - источники электрически нейтрального Z-поля.

Z-поле взаимодействует с нейтрино. Электромагнитное поле - нет. Z-поле по-разному взаимодействует с левовинтовыми и правовинтовыми электронами, так что это взаимодействие нарушает четность. Электромагнитное поле взаимодействует с левовинтовыми и правовинтовыми электронами одинаково. В электромагнитном взаимодействии четность сохраняется. Взаимодействие нейтральных токов, связанных с полем Z, - новый тип слабого взаимодействия.

Это было первым важным предсказанием теории Глешоу-Вайнберга-Салама. Предсказывался новый тип слабых переходов, в которых заряд частицы не менялся, а четность нарушалась. Как должны проявляться эти переходы?

Я.Б.Зельдович, М.Ю.Хлопов, 1988 год