Các tính chất Tương_tác_yếu

Biểu đồ minh họa nhiều cách phân rã do tương tác yếu và xác suất xảy ra phản ứng cũng như hạt sẽ hình thành. Khả năng xảy ra cao hay thấp của phản ứng (hay độ đậm nhạt của các đường) miêu tả bằng các tham số CKM.

Tương tác yếu đặc trưng bởi một số tính chất điển hình như sau:

  1. Nó là tương tác duy nhất có thể thay đổi hương (vị) của quark (ví dụ thay đổi một loại quark thành loại kia).
  2. Nó là tương tác duy nhất vi phạm tính đối xứng chẵn lẻ trong vật lý học. Nó cũng vi phạm đối xứng CP.
  3. Các hạt tải lực của nó (còn gọi là các boson chuẩn - gauge bosons) có khối lượng đáng kể, một đặc điểm kỳ lạ trong Mô hình chuẩn giải thích bằng cơ chế Higgs.

Do có khối lượng lớn (xấp xỉ 90 GeV/c2[5]) những hạt tải lực (hay hạt trường) này, ký hiệu là các boson W và Z, có thời gian sống ngắn: chúng có thời gian sống trung bình dưới 1×10−24 giây.[6] Tương tác yếu có hằng số cặp (giá trị cho biết độ mạnh của tương tác) nằm trong khoảng 10−7 và 10−6, so với tỷ lệ hằng số cặp của tương tác mạnh bằng 1 và hằng số cặp điện từ vào khoảng 10−2;[7] và cũng vì thế mà tương tác yếu là yếu về mặt cường độ tương tác.[8] Lực yếu có tầm tác dụng ngắn (khoảng 10−17–10−16 m[8]).[7] Ở khoảng cách xấp xỉ 10−18 mét, tương tác yếu có cường độ tác dụng bằng với của lực điện từ; nhưng ở quy mô gần 3×10−17 m, tương tác yếu nhỏ hơn 10.000 lần so với tương tác điện từ.[9]

Tương tác yếu ảnh hưởng đến mọi fermion trong Mô hình chuẩn, cũng như đối với boson Higgs; trong khi các hạt neutrino chỉ tham gia vào tương tác hấp dẫn và tương tác yếu, và ban đầu các neutrino được đặt cho tên gọi lực yếu.[8] Tương tác yếu không tạo ra trạng thái liên kết (bound state - hay nó không tham gia vào năng lượng gắn kết-năng lượng liên kết, binding energy) – chẳng hạn như lực hấp dẫn hút và liên kết các vật lại trong phạm vi thiên văn học, lực điện từ liên kết các nguyên tử lại thành phân tử và lực hạt nhân mạnh liên kết các nucleon trong hạt nhân.[10]

Hiệu ứng đáng kể nhất của nó nằm ở đặc trưng thứ nhất: quá trình thay đổi hương của quark. Ví dụ một neutron nặng hơn một proton (một trong hai nucleon), nhưng nó không thể phân rã thành proton mà không thay đổi loại hương của một trong hai quark xuống thành quark lên. Cả tương tác mạnh và tương tác điện từ đều không cho phép thay đổi hương của quark, do đó sự phân rã của neutron phải là phân rã yếu; không có phân rã yếu, các tính chất của quark như số lạ và số duyên (đi kèm với tên gọi của cùng các loại quark này) sẽ được bảo toàn trong mọi tương tác. Mọi meson là những hạt "không bền" bởi vì tương tác yếu.[11] Trong quá trình gọi là phân rã beta, một quark xuống trong neutron có thể biến đổi thành quark lên bằng cách phát ra một boson W- ảo sau đó boson phân rã thành một electron và một phản neutrino electron.[12]

Do các boson chuẩn có khối lượng, phân rã yếu có đặc tính khác hẳn so với phân rã mạnh hay phân rã điện từ, và những phân rã này có thời gian xảy ra rất khác nhau. Ví dụ, hạt pion trung hòa (tuân theo phân rã điện từ) có thời gian sống vào khoảng 10−16 giây, trong khi hạt pion có điện tích (phân rã thông qua tương tác yếu) sống tới 10−8 giây, dài gấp một trăm triệu lần.[13] Ngược lại, một neutron tự do (cũng phân rã thông qua tương tác yếu) có thời gian sống vào khoảng 15 phút.[12]

Spin đồng vị yếu và siêu tích yếu

Bài chi tiết: Spin đồng vị yếu
Fermion xoay trái trong Mô hình chuẩn.[14]
Thế hệ 1Thế hệ 2Thế hệ 3
FermionKý hiệuSpin
đồng vị yếu
FermionKý hiệuSpin
đồng vị yếu
FermionKý hiệuSpin
đồng vị yếu
Electron e − {\displaystyle e^{-}\,} − 1 / 2 {\displaystyle -1/2\,} Muon μ − {\displaystyle \mu ^{-}\,} − 1 / 2 {\displaystyle -1/2\,} Tau τ − {\displaystyle \tau ^{-}\,} − 1 / 2 {\displaystyle -1/2\,}
Neutrino electron ν e {\displaystyle \nu _{e}\,} + 1 / 2 {\displaystyle +1/2\,} Neutrino muon ν μ {\displaystyle \nu _{\mu }\,} + 1 / 2 {\displaystyle +1/2\,} Neutrino tau ν τ {\displaystyle \nu _{\tau }\,} + 1 / 2 {\displaystyle +1/2\,}
Quark lên u {\displaystyle u\,} + 1 / 2 {\displaystyle +1/2\,} Quark duyên c {\displaystyle c\,} + 1 / 2 {\displaystyle +1/2\,} Quark đỉnh t {\displaystyle t\,} + 1 / 2 {\displaystyle +1/2\,}
Quark xuống d {\displaystyle d\,} − 1 / 2 {\displaystyle -1/2\,} Quark lạ s {\displaystyle s\,} − 1 / 2 {\displaystyle -1/2\,} Quark đáy b {\displaystyle b\,} − 1 / 2 {\displaystyle -1/2\,}
Mỗi phản hạt xoay trái (left-handed) có spin đồng vị yếu bằng 0.
Các phản hạt xoay phải spin đồng vị yếu ngược dấu.

Mọi hạt có một tính chất mà các nhà vật lý đặt tên là spin đồng vị yếu (T3), được coi như số lượng tử và tính chất này chi phối các hạt tương tác như thế nào đối với lực yếu. Do vậy spin đồng vị yếu đóng vai trò trong tương tác yếu giống như của điện tích trong lực điện từ và màu tích trong tương tác mạnh. Mọi fermion có giá trị spin đồng vị hoặc bằng +1⁄2 hoặc bằng −1⁄2. Ví dụ, quark lên u có T3 bằng +1⁄2 và quark xuống d có giá trị bằng −1⁄2. Nếu chỉ thông qua tương tác yếu, một quark không bao giờ phân rã thành một quark khác với cùng giá trị T3: quark với T3 bằng +1⁄2 phân rã thành các quark với T3 bằng −1⁄2 và ngược lại.

π+ phân rã thông qua kênh tương tác yếu.

Trong bất kỳ tương tác yếu nào, spin đồng vị yếu là đại lượng bảo toàn: tổng các giá trị spin đồng vị yếu của các hạt tham gia vào tương tác bằng tổng các giá trị spin đồng vị yếu của các hạt hình thành sau tương tác. Ví dụ, hạt π+ xoay trái, với spin đồng vị yếu bằng 1, thông thường phân rã thành một neutrino muon νμ (+1/2) và một muon μ+ (là phản hạt xoay phải, +1/2).[13]

Với sự phát triển của lý thuyết điện yếu, một tính chất khác, siêu tích yếu, được nêu ra. Nó phụ thuộc vào điện tích và spin đồng vị yếu của hạt, định nghĩa bằng:

Y W = 2 ( Q − T 3 ) {\displaystyle \qquad Y_{W}=2(Q-T_{3})}

với YW là siêu tích yếu của một hạt, Q là điện tích của nó (theo đơn vị điện tích cơ bản) và T3 là spin đồng vị yếu của hạt. Trong khi một số hạt có spin đồng vị yếu bằng 0, mọi hạt, ngoại trừ gluon, có siêu tích yếu khác 0. Siêu tích yếu là phần tử sinh của thành phần U(1) của nhóm chuẩn điện yếu.[15]

Tài liệu tham khảo

WikiPedia: Tương_tác_yếu http://home.web.cern.ch/about/updates/2013/03/new-... http://www.britannica.com/EBchecked/topic/638203 http://hyperphysics.phy-astr.gsu.edu/hbase/forces/... http://adsabs.harvard.edu/abs/1934ZPhy...88..161F http://adsabs.harvard.edu/abs/1968AmJPh..36.1150W http://adsabs.harvard.edu/abs/1973PThPh..49..652K http://adsabs.harvard.edu/abs/2006JPhG...33....1Y http://adsabs.harvard.edu/abs/2008PhLB..667....1P http://adsabs.harvard.edu/abs/2009arXiv0904.1556B http://physnet2.pa.msu.edu/home/modules/pdf_module...