Слабое взаимодействие, или слабое ядерное взаимодействие — одно из четырёх фундаментальных взаимодействий в природе. Оно ответственно, в частности, за бета-распад ядра. Это взаимодействие называется слабым, поскольку два других взаимодействия, значимые для ядерной физики (сильное и электромагнитное), характеризуются значительно большей интенсивностью. Однако оно значительно сильнее четвёртого из фундаментальных взаимодействий, гравитационного. Слабое взаимодействие является короткодействующим — оно проявляется на расстояниях, значительно меньших размера атомного ядра (характерный радиус взаимодействия 10⁻¹⁸ м^[1]). Стандартная модель физики элементарных частиц описывает электромагнитное взаимодействие и слабое взаимодействие как разные проявления единого электрослабого взаимодействия, теорию которого разработали около 1968 года Глэшоу, Салам и Вайнберг. За эту работу они получили Нобелевскую премию по физике за 1979 год.

Свойства

В слабом взаимодействии участвуют все фундаментальные фермионы (лептоны и кварки). Это единственное взаимодействие, в котором участвуют нейтрино (не считая гравитации, пренебрежимо малой в лабораторных условиях), чем объясняется колоссальная проникающая способность этих частиц. Слабое взаимодействие позволяет лептонам, кваркам и их античастицам обмениваться энергией, массой, электрическим зарядом и квантовыми числами — то есть превращаться друг в друга.

Первая теория слабого взаимодействия была разработана Энрико Ферми в 1930-х годах. Она описывала слабое взаимодействие как контактное взаимодействие между четырьмя фермионами — два фермиона при контакте превращались в другие два, и хорошо описывала β-распад ядер и распады адронов, но была неперенормируемой. Сегодня известно, что переносчиками слабого взаимодействия являются виртуальные W- и Z-бозоны. Поскольку их масса составляет около 90 ГэВ/c², радиус действия слабых сил, согласно принципу неопределенности, ограничен величиной 10⁻¹⁸ м, что примерно в 1000 раз меньше диаметра атомного ядра.

Долгое время считалось, что законы природы симметричны относительно зеркального отражения, то есть результат любого эксперимента должен быть таким же, как результат эксперимента, проведенного на зеркально-симметричной установке. Эта симметрия относительно пространственной инверсии (которая обычно обозначается как P) связана с законом сохранения чётности. Однако в середине 1950-х Янг Чжэньнин и Ли Цзундао предположили, что слабое взаимодействие может не подчиняться этому закону. В 1957 году Ву Цзяньсун и сотрудники подтвердили это предсказание, что принесло Янгу и Ли Нобелевскую премию по физике за 1957 год. В 1957 году Маршак и Сударшан и, несколько позже, Фейнман и Гелл-Манн предложили лагранжиан для слабого взаимодействия. Оказалось, что на самом деле в слабом взаимодействии закон сохранения чётности нарушается настолько сильно, насколько это вообще возможно — в лагранжиан слабого взаимодействия входит прямая разность вектора, не меняющегося при зеркальном отражении, и псевдовектора, меняющего при этом знак, так что слабому взаимодействию подвержены только левые частицы (спин которых направлен противоположно импульсу), но не правые (спин которых сонаправлен с импульсом), и наоборот: правые античастицы взаимодействуют слабым образом, но левые — инертны. Зеркальное отражение превращает левую частицу в правую, что объясняет максимальное нарушение чётности в слабых взаимодействиях. То, что физики долгое время не замечали такого сильного нарушения симметрии, объясняется тем, что его специально никто не искал: зеркальная симметрия природы казалась самоочевидной.

В стремлении сохранить максимально возможную симметрию взаимодействий Лев Давидович Ландау в 1957 году предположил, что хотя P-симметрия нарушается в слабых взаимодействиях, в них должна сохраняться комбинированная симметрия CP — комбинация зеркального отражения и замены частиц на античастицы. Однако в 1964 году Джеймс Уотсон Кронин и Вал Логсден Фитч в распадах нейтральных каонов нашли слабое нарушение CP-чётности. За это нарушение также оказалось ответственным именно слабое взаимодействие, кроме того, теория в таком случае предсказывала, что кроме двух поколений кварков и лептонов, известных к тому времени, должно существовать как минимум ещё одно поколение. Это предсказание получило блестящее подтверждение сначала в 1975 году, когда был открыт тау-лептон, а затем в 1977 году с открытием b-кварка. Кронин и Фитч получили Нобелевскую премию по физике 1980 года.

В современной форме слабое взаимодействие описывается теорией Вайнберга—Салама — квантовой теорией поля с калибровочной группой SU(2)×U(1) и спонтанно нарушенной симметрией вакуумного состояния, вызванной действием поля бозона Хиггса. Доказательство перенормируемости такой модели Мартинусом Вельтманом и Герардом 'т Хоофтом^[2] было отмечено Нобелевской премией по физике за 1999 год.

В этой форме теория слабого взаимодействия входит в современную Стандартную модель, причём оно — единственное взаимодействие, нарушающее симметрии P и CP.

Слабый распад

Процесс распада более массивной частицы на более легкие вследствие слабого взаимодействия называется слабым распадом. Типичным примером является бета-распад нейтрона.

Примечания