Слабые взаимодействия

Слабые взаимодействия, один из четырёх типов известных фундаментальных взаимодействий между элементарными частицами (три других типа - электромагнитное, гравитационное и сильное). С. в. гораздо слабее не только сильного, но и электромагнитного взаимодействий, но гораздо сильнее гравитационного.

О силе взаимодействия можно судить по скорости процессов, которые оно вызывает. Обычно сравнивают между собой скорости процессов при энергиях порядка 10⁸-10⁹ эв, которые являются характерными для физики элементарных частиц, т. к. именно такого порядка массы (выраженные в энергетических единицах) большинства элементарных частиц (например, масса p-мезона 1,4×10⁸ эв, масса протона 9,4×10⁸ эв). При таких энергиях процесс, обусловленный сильным взаимодействием, происходит за время ~ 10^-24 сек; за это время сильно взаимодействующая частица (адрон), движущаяся со скоростью порядка скорости света (3×10¹⁰см/сек), пролетает расстояние порядка своих размеров (~ 10^-13 см). Электромагнитный процесс в этих же условиях длится примерно 10^-21 сек. Характерное же время процессов, происходящих за счёт С. в. ("слабых процессов"), гораздо больше: ~ 10^-10 сек. Так что в мире элементарных частиц слабые процессы протекают чрезвычайно медленно.

Другая характеристика взаимодействия - длина свободного пробега частицы в веществе. Сильно взаимодействующие частицы обычно задерживаются железной плитой толщиной в несколько десятков см. Нейтрино же, обладающее лишь С. в., проходило бы, не испытав ни одного столкновения, через железную плиту толщиной порядка миллиарда км. Ещё более слабым является гравитационное взаимодействие, сила которого при энергии 10⁹ эв в 10³³ раз (на 33 порядка) меньше, чем у С. в. Однако в повседневной жизни роль гравитационного взаимодействия гораздо заметней роли С. в. Это связано с тем, что гравитационное взаимодействие, так же как электромагнитное, имеет бесконечно большой радиус действия; поэтому, например, на тела, находящиеся на поверхности Земли, действует гравитационное притяжение со стороны всех атомов, из которых состоит Земля. Слабое же взаимодействие обладает настолько малым радиусом действия, что величина этого радиуса до сих пор не измерена: она наверняка меньше 10^-14 см, а возможно, и 10^-15см, что на два порядка меньше радиуса сильного взаимодействия. Вследствие этого, например, С. в. между ядрами двух соседних атомов, находящихся на расстоянии 10^-8см, совершенно ничтожно.

Однако, несмотря на малую величину и короткодействие, С. в. играет очень важную роль в природе. Так, если бы удалось "выключить" С. в., то погасло бы Солнце, т. к. был бы невозможен процесс превращения протона (р) в нейтрон (n), позитрон (е⁺) и нейтрино (n). Именно в результате этого процесса происходит "выгорание" водорода на Солнце и четыре протона превращаются в ядро гелия, состоящее из двух протонов и двух нейтронов. Этот процесс служит источником энергии как Солнца, так и большинства звёзд. Процессы С. в. с испусканием нейтрино, по-видимому, вообще играют исключительно важную роль в эволюции звёзд, обусловливая потери энергии очень горячими звёздами, механизмы, взрывов сверхновых звёзд с образованием пульсаров и т. д. Ещё один пример: если бы не было С. в., то были оы стабильны и широко распространены в обычном веществе мюоны (m) и p-мезоны, а также странные частицы, которые, как известно, под действием С. в. распадаются за миллионные - миллиардные доли сек на обычные (нестранные) частицы.
Столь большая роль С. в. связана с тем, что С. в. не подчиняется ряду запретов, которым подчиняются сильное и электромагнитное взаимодействия. В отличие от сильного и электромагнитного взаимодействий, С. в. нарушает закон сохранения странности. Нарушает С. в. и др. фундаментальную симметрию природы - зеркальную (см. Пространственная инверсия), в слабых распадах максимально нарушается закон сохранения пространственной чётности и зарядовой чётности (см. Зарядовое сопряжение). В обусловленных С. в. процессах распада долгоживущих нейтральных К-мезонов на десятые доли процента происходит нарушение сохранения т. н. комбинированной чётности (см. Комбинированная инверсия) и временной обратимости микропроцессов (т. н. Т-инвариантности; см. Обращение времени). (Подробнее см. ниже.)
Интенсивности слабых процессов быстро растут с ростом энергии. Так, например, бета-распад нейтрона, энерговыделение в котором мало (~ 1 Мэв) по сравнению с энергиями порядка энергии покоя адронов, длится около 10³ сек., что на 13 порядков больше, чем время жизни L-гиперона. Сечение взаимодействия с нуклонами (протонами и нейтронами) для нейтрино, имеющих энергии ~ 100 Гэв, примерно в миллион раз больше, чем для нейтрино с энергией ~ 1 Мэв. Вплоть до каких энергий продлится рост сечения с энергией, пока не ясно. Возможно, он не прекратится до энергий ~1000 Гэв в системе центра масс сталкивающихся частиц. Возможно, однако, что этот рост остановится при гораздо меньших энергиях.
Наиболее распространённый процесс, обусловленный С. в., - (b-распад радиоактивных атомных ядер. Явление радиоактивности было обнаружено в 1896 А. А. Беккерелем. В течение первой трети 20 в. экспериментально исследовались энергетические спектры b-радиоактивных ядер (Э. Резерфорд, Дж. Чедвик, Л. Майтнер). Результатом этого исследования явилась гипотеза (1931, В. Паули) о том, что в b-распаде наряду с электроном (е^-) испускается ещё одна лёгкая частица, получившая позднее название нейтрино. И хотя экспериментально свободное нейтрино было обнаружено лишь в 1956, уже в 1934, исходя из гипотезы Паули, Э. Ферми построил теорию (b-распада, которая (с некоторыми модификациями) лежит в основе современной теории С. в.
Согласно теории Ферми, электрон и нейтрино (более точно: антинейтрино), вылетающие из (b-радиоактивного ядра, не находились в нём до этого, а возникают в момент распада. Это явление аналогично испусканию фотонов низкой энергии (видимого света) возбуждёнными атомами или фотонов высокой энергии (g-квантов) возбуждёнными ядрами. Как известно, свет испускается электроном при переходе с одного атомного уровня на другой, более низкий. Аналогично g-кванты испускаются нуклонами, переходящими с более высоких, возбуждённых уровней в ядре на более низкие. Первичной причиной этих процессов является взаимодействие электрических зарядов с электромагнитным полем: движущаяся заряженная частица -? электрон или протон -? возмущает электромагнитное поле, причём энергия частицы передаётся квантам поля -? фотонам. Движущийся заряд создаёт электромагнитный ток, и обычно говорят о взаимодействии фотонов с электромагнитным током. В квантовой электродинамике взаимодействие электрона с фотоном описывается выражением типа .
Здесь е - элементарный электрический заряд, являющийся константой электромагнитного взаимодействия (безразмерной константой, характеризующей интенсивность протекания электромагнитных процессов, является величина ?¹/₁₃₇, где ?- постоянная Планка, с - скорость света), y - оператор уничтожения электрона, находящегося в исходном состоянии, ?- оператор рождения электрона в конечном состоянии, А - оператор рождения фотона. Т. о., вместо исходного электрона возникают две частицы: электрон, находящийся в другом состоянии (с меньшей энергией), и фотон.
Более точно взаимодействие электрона с фотоном описывается выражением .???? (1)
Индекс m в величине А_m принимает четыре значения: m = 0, 1, 2,3 и указывает, что величина А_m преобразуется как четырёхмерный вектор при Лоренца преобразованиях. [Напомним, что четырёхмерный вектор образуют, например, четырёхмерные координаты частицы х_m(x₀ = ct, x₁ = х, x₂ = у, x₃ = z) или её энергия и импульс р_m (p_o = Е/с, p₁ = p_x, p₂ = р_у, p₃ = p_z, где Е -? энергия частицы, p_x, p_y, p_z - компоненты её трёхмерного импульса).] Скалярное произведение двух четырёхмерных векторов определяется следующим образом: х_mр_m = x_op_o - x₁p₁ - x₂p₂ - x₃p₃ (по одинаковым индексам m производится суммирование.; для краткости знак суммы опускается). Поскольку электромагнитное поле является векторным, то о кванте этого поля - фотоне - говорят как о векторной частице. Величина ?называется электромагнитным током. Чтобы взаимодействие (1) было лоренц-инвариантным, необходимо, чтобы электромагнитный ток ?также являлся четырёхмерным вектором и взаимодействие тока с фотонным полем представляло собой скалярное произведение двух четырёхмерных векторов (именно на это указывает повторение индекса m). Четыре матрицы g_m (матрицы Дирака) введены для того, чтобы из операторов ?и y, которые являются четырёхмерными спинорами относительно преобразований Лоренца, сконструировать четырёхмерный вектор - электромагнигный ток.
Уточним теперь смысл операторов ?и y. Они описывают процессы не только с участием частиц (электронов), но и с участием античастиц (позитронов). Оператор y уничтожает электрон или рождает позитрон, а оператор ?рождает электрон или уничтожает позитрон. Оператор А описывает как рождение, так и уничтожение фотонов, поскольку абсолютно нейтральная частица - фотон - сама является своей античастицей. Т. о., взаимодействие ?описывает не только испускание и поглощение света электронами и позитронами, но и такие процессы, как рождение электрон-позитронных пар фотонами или аннигиляция этих пар в фотоны. Обмен фотоном (g) между двумя заряженными частицами приводит к взаимодействию этих частиц друг с другом. В результате возникает, например, рассеяние электрона протоном, которое схематически изображается Фейнмана диаграммой, представленной на рис. 1. При переходе протона в ядре с одного уровня на другой это же взаимодействие может привести к рождению ядром электрон-позитронной пары (рис. 2).
Теория b-распада Ферми по существу аналогична теории электромагнитных процессов. В основу теории Ферми положил взаимодействие двух "слабых токов", но взаимодействующих между собой не на расстоянии путём обмена частицей - квантом поля (фотоном в случае электромагнитного взаимодействия), а контактно. Это взаимодействие в современых обозначениях имеет вид: ???? (2)
Здесь G - константа Ферми, или константа С. в., экспериментальное значение которой G " 10^-49 эрг ×см³; величина ?имеет размерность квадрата длины, и в единицах , где M_p - масса протона; ?- оператор рождения протона (уничтожения антипротона), n - оператор уничтожения нейтрона (рождения антинейтрона), ?- оператор рождения электрона (уничтожения позитрона), n - оператор уничтожения нейтрино (рождения антинейтрино). [Здесь и в дальнейшем операторы рождения и уничтожения частиц обозначены символами соответствующих частиц, набранными полужирным шрифтом.] Ток ?переводящий нейтрон в протон, получил впоследствии название нуклонного, а ток ?- лептонного (электрон и нейтрино - лептоны). Ферми постулировал, что, подобно электромагнитному току, слабые токи также являются четырёхмерными векторами. Поэтому фермиевское взаимодействие называется векторным. (Заметим, что первоначальная идея Ферми заключалась в том, что нуклонный ток ?аналогичен электромагнитному току , а лептонный ток ?- электромагнитному полю А_m. Однако в написанное им выражение нуклонный и лептонный токи вошли равноправно, и дальнейшее развитие теории всё в большей степени подчёркивало это равноправие.)
Подобно испусканию электрон-позитронной пары, b-распад нейтрона может быть описан похожей диаграммой (рис. 3) [в статье античастицы помечены значком "тильда" (~) над символами соответствующих частиц]. Но из сказанного выше об операторах рождения и уничтожения частиц следует, что взаимодействие лептонного и нуклонного токов должно давать и другие слабые процессы, например реакцию ?(рис. 4), аннигиляцию пар ?(рис. 5), ?и т. д.
Существенным отличием слабого тока от электромагнитного является то, что слабый ток меняет заряд частиц, в то время как электромагнитный ток не меняет: слабый ток превращает нейтрон в протон, электрон в нейтрино, а электромагнитный оставляет протон протоном, а электрон электроном. Поэтому слабые токи и ?называются заряженными токами. Согласно такой терминологии, обычный электромагнитный ток ?является нейтральным током. Обсуждение вопроса о нейтральных слабых токах типа , ?см. ниже.
Следует подчеркнуть, что теория Ферми опиралась на результаты исследований в трёх различных областях: 1) экспериментальные исследования собственно С. в. (b-распад), приведшие к гипотезе о существовании нейтрино; 2) экспериментальные исследования сильного взаимодействия (ядерные реакции), приведшие к открытию протонов и нейтронов и пониманию того, что ядра состоят из этих частиц; 3) экспериментальные и теоретические исследования электромагнитного взаимодействия, в результате которых был заложен фундамент квантовой теории поля.
Дальнейшее (и особенно позднейшее) развитие физики элементарных частиц неоднократно подтверждало плодотворную взаимозависимость исследований сильного, слабого и электромагнитного взаимодействий.
Вопрос о том, действительно ли слабое b-распадное взаимодействие - векторное, был предметом теоретических и экспериментальных исследований в течение более 20 лет. За эти годы выяснилось, что С. в. ответственно не только за b-распад ядер, но и за медленные распады нестабильных элементарных частиц. После открытия мюонов, p-мезонов, К-мезонов и гиперонов в конце 40 - начале 50-х гг. была сформулирована гипотеза об универсальном характере С. в., ответственного за распады всех этих частиц.
В 1956 при теоретическом исследовании распадов К-мезонов Ли Цзун-дао и Ян Чжэнь-нин (США) выдвинули гипотезу о том, что С. в. не сохраняет чётность; вскоре несохранение чётности было обнаружено экспериментально в b-распаде ядер (Ву Цзянь-сюн и сотрудники, США), в распаде мюона [Р. Гарвин, Л. Ледерман (США) и др.] и в распадах других частиц.
Осенью 1956 Л. Д. Ландау и независимо Ли, Ян, Р. Эме выдвинули гипотезу, согласно которой в С. в. нарушается не только пространственная чётность (Р), но и зарядовая чётность (С), причём таким образом, что сохраняется их произведение - комбинированная чётность (СР-чётность). Инвариантность С. в. относительно комбинированной инверсии, означала бы, что процессы с участием частиц являются "зеркальными" по отношению к процессам с участием соответствующих античастиц. Так, например, угловые распределения электронов (е^-) при распаде отрицательных мюонов (m^-) и позитронов (е⁺) при распаде m+ выглядят так, как это изображено на рис. 6. Нарушение комбинированной инверсии, хотя и наблюдалось, но только в распадах нейтральных К-мезонов (см. ниже).
Обобщая огромный экспериментальный материал, М. Гелл-Ман, Р. Фейнман, Р. Маршак и Е. Судершан (США) в 1957 предложили теорию универсального слабого взаимодействия, т. н. V-А-теорию. В этой теории, так же как в теории Ферми, С. в. возникает за счёт слабых токов. Отличие заключается лишь в двух пунктах:
Во-первых, у Ферми слабый ток был векторным, а в новой теории ток представляет собой сумму вектора (V) и аксиального вектора (А). (Аксиальный ток конструируется с помощью матриц g_mg₅, где .) При преобразованиях Лоренца оба эти тока (V и A) ведут себя одинаково, подобно обычным четырёхмерным векторам. Однако при зеркальных отражениях они ведут себя по-разному, т. к. обладают различной чётностью. В результате слабый ток не обладает определённой чётностью. Это свойство слабого тока отражает несохранение чётности в С. в., обнаруженное на опыте.
Во-вторых, кроме членов ?и , в токе появились ещё другие члены: мюонный, , переводящий мюонное нейтрино n_m в мюон [мюонное нейтрино было открыто экспериментально в 1962, и нейтрино, выступающее в реакциях совместно с электроном (позитроном), стали называть электронным и обозначать символом n_e], и странный адронный ток, приводящий к распаду странных частиц (К-мезонов и гиперонов). Что касается нуклонного тока , то он теперь выступает ках одно из проявлений адронного тока, не меняющего странность.
Адронные токи (нестранный и странный) более сложны, чем лептонные, поскольку число известных лептонов мало (е^?, n_e, , m^?, n_m, ), а число известных адронов достигает нескольких сотен. Можно, однако, предположить, что все известные адроны построены из трёх типов более элементарных частиц, которые получили название кварков: протонного кварка р, нейтронного кварка n, странного кварка l и их античастиц - антикварков. Нуклоны состоят из трёх кварков: р = ppn, n = nnp; L-гиперон, например, содержит в своём составе наряду с р- и n-kварками ещё и странный кварк: L = pnl; мезоны состоят антикварка: , , , , , . Гипотеза кварков прекрасно объясняет широкий круг явлений, относящихся к свойствам сильных и электромагнитных взаимодействий адронов и их классификации. Согласно этой гипотезе, b-распад нейтрона происходит за счёт того, что в нейтроне один нейтронный кварк превращается в протонный кварк, испуская пару е^- . Аналогично, распад L ? р + е^-+ происходит за счёт превращения l-кварка в р-кварк: l ? р + е^- + , при этом слабый адронный ток можно записать в виде: ,???? (3)
где ?- оператор рождения р-кварка (уничтожения -кварка), n - оператор уничтожения n-кварка (рождения -кварка), l - оператор уничтожения l-кварка (рождения -кварка), J - т. н. угол Кабиббо, который, как показал опыт, равен примерно 15?. То, что sinJ < cosJ, отражает тот факт, что распады с изменением странности частиц подавлены (идут с меньшей вероятностью) по сравнению с распадами, в которых странность сохраняется. Например, распад L ? р + е^- + ?подавлен по сравнению с распадом нейтрона n ? p + е^- + . Это утверждение не следует понимать, однако, слишком буквально, т. к. вероятность распада определяется не только силой взаимодействия соответствующих токов, но и величиной энергии, выделяющейся в распаде, а именно пропорциональна пятой степени этой энергии. А энерговыделение в распаде нейтрона на два порядка меньше, чем в распаде L-гиперона. Т. о., малость sinJ означает лишь, что L-гиперон хотя и распадается на 10 порядков быстрее нейтрона, однако примерно в 20 раз медленней, чем распадался бы нейтрон, если бы он имел массу L-гиперона.l
Если обозначить через j_wсуммарный слабый ток: ,???? (4)
то энергия (более точно - лагранжиан L) С. в. приобретает вид: ;???? (5)
здесь G - константа С. в., индекс + означает сопряжённый ток: .???? (6)
Каждое из слагаемых в токах j_w и представляет собой сумму вектора и аксиального вектора, например . Такое выражение для С. в. описывает все известные слабые процессы, кроме т. н. нейтральных токов (см. ниже). Эти процессы можно расклассифицировать по тому, произведение каких слагаемых в токах j_w и ?за них ответственно. В клетках таблицы перенумерованы соответствующие процессы. Таблица слабых процессов








1
2
3
4
2
5
6
7
3
6
8
9
4
7
9
10
Клетки таблицы, симметричные относительно диагонали, содержат прямые и соответствующие обратные процессы.
1. Произведение токов ?описывает упругое рассеяние n_e + e ? n_e + е; на опыте это рассеяние пока не обнаружено, но точность экспериментов несколько хуже необходимой для измерения предсказываемой теорией величины.
2. Произведение токов ?ответственно за распады m⁺ ? e⁺ + n_e + ?и m^- ? e^- + ?+ , которые хорошо изучены и прекрасно описываются теорией.
3. Произведение токов ?ответственно за b-распады ядер и распады типа p⁺ ? e⁺ + n_e и . Вероятность последнего распада на основе аналогии между слабым векторным током и электромагнитным током (на основе гипотезы сохраняющегося векторного тока) была предсказана Я. Б. Зельдовичем и С. С. Герштейном ещё в 1955; последующие эксперименты подтвердили это предсказание. Это же взаимодействие приводит к нейтринной реакции ?+ р ? е⁺ + n, обнаруженной в 1956 Ф. Райнесом и К. Коуэном (США) в пучке антинейтрино от ядерного реактора.
4. Произведение токов ?ответственно за b-распады странных частиц, в которых меняется странность, например L ? р + е^- + , å^- ? n + e^- + , К⁺ ? е⁺ + n_e, К⁺ ? е⁺ + n_e + p⁰ и т. д. В этих распадах имеют место следующие правила отбора, вытекающие из вида слабого тока и подтвержденные на опыте: 1)DS = ? 1, где DS - изменение странности адронов, участвующих в распаде (DS = S₁ - S₂, S₁ - странность распадающегося адрона, S₂ -? странность адронов, появившихся в результате распада); 2) DS = DQ, где DQ - изменение электрического заряда адронов; 3) DT = ¹/₂, где DT - изотопический спин странного адронного тока.
5. Произведение токов ?приводит к процессу n_m ? m⁺ + m^- +n_m, который должен происходить при взаимодействии нейтрино высокой энергии с кулоновским полем ядра. Теоретически предсказанная величина сечения процесса меньше предела, достигнутого при экспериментальных поисках этого процесса.
6. Произведение токов ?ответственно за процессы захвата мюонов атомными ядрами, в основе которых лежит реакция m^- + р ? n + n_m. Этот захват детально изучен для большого числа различных ядер. Кроме того, это же произведение ответственно за основной канал распада заряженных p-мезонов: p⁺ ? m⁺ + n_m, p^- ? m^- + , а также за основную часть нейтринных реакций при высоких энергиях, которые наблюдаются в пучках нейтрино, образованных при распадах p- и К-мезонов, рождающихся при бомбардировке ядер энергичными протонами от ускорителей. Такие нейтринные пучки имеются в ряде лабораторий. При столкновении энергичного нейтрино с нуклоном могут происходичь как квазиупругие процессы: n_m+ n ? m^- + р или ?+ р ? m⁺ + n, так и неупругие: n_m( ) + нуклон ? m^- (m⁺) + нуклон + мезоны. В обычных пучках нейтрино высоких энергий доля электронных нейтрино мала, т. к. p-мезоны в основном распадаются с испусканием m и n_m.
7. Произведение токов ?приводит к мюонным распадам странных частиц с изменением странности: L ? р + m^- + , å^- ? n + m^-+ , К⁺ ? m⁺ + n_m, К⁺ ? m⁺ + n_m + p⁰
и т. д., подчиняющихся тем же правилам отбора, что и соответствующие электронные распады (см. пункт 4). Кроме того, оно ответственно за нейтринные реакции, в которых рождаются одиночные странные частицы.
8. Произведение токов ?приводит к слабым ядерным силам, не сохраняющим, в отличие от обычных ядерных сил, пространственную чётность (Р). Такие районечётные силы, предсказанные теорией, были обнаружены на опыте Ю. Г. Абовым, П. А. Крупчицким, В. М. Лобашёвым, В. А. Назаренко и др. (СССР).
9. Произведение ?ответственно за многочастичные нелептонные распады странных частиц: L ? р + p⁰, å⁺ ? n + p⁺, ?? L + p^-, W^- ? L + К^-, W^- ? ?+ p⁰, К? ? p⁺ + p^-, K⁺ ? p⁺ + p⁺ +p^-. Во всех этих распадах DS = ? 1 и, кроме того, DТ = ¹/₂.
10. Произведение ?даёт вклад в районечётные ядерные силы (см. пункт 8).
Рассмотренное выше выражение, описывающее С. в., не объясняет два явления: 1) нарушение СР-инвариантности, обнаруженное в 1964 в эксперименте Дж. Кристенсена, Дж. Кронина, В. Фитча и Р. Тёрли (США); 2) нейтральные нейтринные токи, обнаруженные в 1973 в ЦЕРНе (Европейском центре ядерных исследований).
Экспериментальное исследование СР-неинвариантных эффектов в распадах нейтральных К-мезонов на два p-мезона, на pen_e и на pmn_m?привело к выводу, что СР-неинвариантное взаимодействие является либо миллислабым (т. е. в 1000 раз слабее обычного С. в.), либо сверхслабым (в миллиард раз слабее обычного С. в.). Для выяснения природы СР-неинвариантного взаимодействия было бы крайне важным найти какой-либо СР-неинвариантный процесс не в распадах нейтральных К-мезонов, а в распадах или взаимодействиях др. частиц. В частности, большой интерес представляют поиски дипольного момента нейтрона.
Нейтральные нейтринные токи обнаружены при взаимодействии мюонных нейтрино и антинейтрино с нуклонами: n_m + n (р) ? n_m + адроны, ?+ n (р) ? ?+ адроны. Сечения этих реакций составляют соответственно примерно 0,2 и 0,4 от сечений аналогичных реакций, протекающих под действием заряженного тока. Открытие нейтральных токов означает, что теория С. в., созданная в 1957, должна быть существенно модифицирована. В действительности такая модифицированная теоретическая модель С. в., содержащая нейтральные токи, была предложена ещё в 1967 С. Вайнбергом (США) и А. Саламом (Пакистан), и она в значительной степени стимулировала поиски нейтральных токов. В основе этой модели и её различных позднейших вариаций лежит гипотеза о том, что С. в. представляет собой не контактное взаимодействие токов, а осуществляется путём обмена промежуточными векторными бозонами (W) - тяжёлыми частицами со спином 1. Гипотеза о том, что переносчиками С. в. являются векторные бозоны, делает более полной аналогию с электромагнитным взаимодействием, из которой исходил Ферми. Чтобы убедиться в этом, достаточно сравнить рис. 2, 3 и 7. Действительно, роль промежуточного фотона на рис. 2 играет промежуточный бозон W на рис. 7. Из неопределённостей соотношения следует, что, для того чтобы обеспечить малый радиус С. в., масса промежуточного бозона M_w должна быть достаточно велика. Расстояние, которое проходит виртуальный промежуточный бозон, порядка /M_wc. В основе модели Вайнберга - Салама лежит идея о единой природе слабого и электромагнитного взаимодействий. При этом предполагается, что взаимодействие W-бозона со слабым током по силе такое же (более точно, примерно такое же), как взаимодействие фотона с электромагнитным током: в обоих случаях сила взаимодействия определяется электрическим зарядом е. Фермиевская константа является величиной вторичной и выражается через a и M: .
В модели Вайнберга - Салама промежуточных бозонов три: два заряженных, W⁺ и W^-, и один нейтральный, Z⁰. Эти частицы, согласно расчётам, должны быть в десятки раз тяжелее протона (M_w ³ 40M_p, M_z ?³ 80M_p). Характерная величина массы этих бозонов получается из величины константы С. в. G постоянной тонкой структуры a = ¹/₁₃₇, характеризующей электромагнитное взаимодействие частиц ( ). То обстоятельство, что в теорию существенным образом входит a, отражает очень важное свойство теории: она является единой теорией слабого и электромагнитного взаимодействий. При этом промежуточные бозоны и нейтральные токи необходимы для того, чтобы теория была непротиворечивой.
Как отметил ещё в 1936 В. Гейзенберг, контактное взаимодействие фермиевских токов приводит к очень сильному росту С. в. на малых расстояниях. Позднейшие теоретические исследования показали, что теория такого взаимодействия неперенормируема: содержит бесконечное число бесконечных величин. В отличие от контактной фермиевской теории и от теории с одними лишь заряженными промежуточными бозонами, теория, содержащая симметричным образом заряженные и нейтральные бозоны и токи, перенормируема. Она содержит лишь несколько бесконечно больших величин, от которых можно избавиться с помощью операции, называемой перенормировкой (см. Квантовая теория поля).
Промежуточные бозоны (W⁺, W^-, Z⁰) - нестабильные частицы. Т. к. их масса очень велика, то для их образования нужны очень высокие энергии, недоступные современным ускорителям.
Очень важный вопрос в модели Вайнберга - Салама - вопрос о нейтральных токах, меняющих странность, которые на опыте на много порядков подавлены по сравнению с заряженными токами и с нейтральными токами, сохраняющими странность. Например, распад долгоживущего нейтрального К-мезона: ?? m⁺ + m^- подавлен по сравнению с распадом К⁺ ? m⁺ + n_m в 10⁸ раз, а верхний предел для распада K⁺ ? p_m + n_m? + ?составляет примерно 10^-7 от полной вероятности распада К-мезона. О ещё более сильной подавленности нейтральных токов, изменяющих странность, свидетельствует наблюдённая на опыте малая величина разности масс долгоживущего и короткоживущего нейтральных К-мезонов; такая разность масс возникает за счёт перехода К⁰ Û ?и была бы очень большой, если бы существовало прямое взаимодействие нейтральных токов . Для того чтобы в рамках теории объяснить отсутствие нейтральных токов с изменением странности, было постулировано, что наряду с тремя кварками р, n, l существует четвёртый кварк с, который получил назв. "очарованного", или "суперзаряженного". При этом заряженный адронный ток, взаимодействующий с W-бозонами, имеет вид: n cos J + l sin J+ n sin J + l cos J,
а нейтральный адронный ток, взаимодействующий с Z⁰-бозоном, переводит кварки сами в себя: он содержит четыре слагаемых , , , ?и не содержит слагаемых типа ?и, следовательно, сохраняет странность.
Если существуют с-кварки, то должны существовать и адроны, содержащие эти кварки, т. н. "очарованные адроны". Осенью 1974 С. Тинг с сотрудниками и Б. Рихтер с сотрудниками (США) обнаружили мезоны с массами в 3,1 Гэв и 3,7 Гэв, которые, возможно, являются состояниями типа . Если такая интерпретация верна, то это открытие указывает на правильность стратегии, лежащей в основе модели Вайнберга - Салама и ведущихся в настоящее время работ по созданию единой теории слабых, электромагнитных и сильных взаимодействий.
Лит.: Паули В., Нарушение зеркальной симметрии в законах атомной физики. К старой и новой теории нейтрино, в сборнике: Теоретическая физика 20 века, М., 1962, с. 376-418; Ву Ц. С., Мошковский С. А., Бета-распад, пер. с англ., М., 1970; Окунь Л. Б., Слабое взаимодействие элементарных частиц, М., 1963; Магshak R. Е., Riazuddiп, Ryап С. P., Theory of weak interactions in particle physics, N. Y., 1969.
Л. С. Окунь.