Роль W-бозонов в слабом ядерном взаимодействии и бета-распаде

На первый взгляд, бозоны W вообще не нужны в этих сценариях: вы можете смоделировать взаимодействие, предположив, что существует прямая связь между четырьмя частицами (нейтроном, протоном, электроном, нейтрино) — это то, что первоначально было предложено Ферми. (см. 4-точечное взаимодействие Ферми ).

Таким образом, оба$n+\nu \rightarrow p + e$взаимодействие и распад$n\rightarrow p + e + \overline{\nu}$можно схематически изобразить: где время течет слева направо.

Однако для этого анзаца возникают проблемы: поскольку энергия центра масс (обычно обозначаемая$\sqrt{s}$) взаимодействующих нейтрона и нейтрино на левой диаграмме возрастает, поэтому увеличивается сечение$\sigma(s)$вычисляется в этом контексте бессмысленным способом (вероятность превышает 1).

Одно из решений состоит в том, чтобы «завершить УФ» теорию, т. е. дополнить теорию, указав поведение в ультрафиолете/при высоких энергиях, полностью отказавшись от наивного контактного взаимодействия и заменив его обменом W-бозонами (это не может произойти только для левая диаграмма; один изменил модель). Так что действительно, в этой законченной теории даже распад нейтрона объясняется обменом W-бозоном.

Заключительные комментарии:

• Для достаточно низких энергий 4-точечное описание взаимодействия является точным и все еще полезным;
• В Стандартной модели бозон W соединяется с кварками , из которых состоят протон и нейтрон.

Вот диаграмма Фейнмана распада нейтрона:

Свободный нейтрон распадается, испуская W-, который производит электрон и антинейтрино.

и диаграмма нейтринного рассеяния нейтронов:

Это взаимодействие такое же, как и наверху, поскольку W+, идущий справа налево, эквивалентен W-, идущему слева направо.

В рамках квантовой механики, если состояние находится на более высоком энергетическом уровне, чем состояние с более низким энергетическим уровнем, что допускается сохранением квантовых чисел, то произойдет распад.

Нейтрон имеет более высокую массу, ~ 939 МэВ, чем масса протона ~ 938, а заряд и число лептонов могут сохраняться при показанном распаде, поэтому это происходит с вычисляемой и измеримой вероятностью. Это основные диаграммы для этих реакций, которые дают измеримые вероятности того, что реакции пройдут.

В случае взаимодействия энергия должна быть предоставлена, чтобы превратить нейтрон в протон (а не ждать, пока природа добьется своего путем распада за время жизни), и она предоставляется прилетающим нейтрино. В обоих случаях W с массой около 100 ГэВ не находится на своей массовой оболочке. Это виртуальный обмен , несущий квантовые числа W, но обмениваемые четыре вектора не имеют массы W.

Бозон служит частицей «распространителя взаимодействия». Именно он недолговечен и служит «носителем» слабой силы, управляющей бета-распадом. Подобные случаи бывают в сильных взаимодействиях, где эту роль играют флуоны, или в электромагнетизме, где электромагнитная сила опосредована фотонами. Вам не нужно изучать квантовую теорию поля, чтобы разобраться в этих вопросах. Вместо этого было бы очень полезно хорошо прочитать теорию Юкавы и виртуальные частицы.