تفاعل ضعيف

📅 آخر تحديث: ٢٩ يوليو ٢٠٢٦
✍️ نُشر في: ٢٩ يوليو ٢٠٢٦
📷 يحتوي على 19 صور
الموسوعة الحرة

يرجع اضمحلال بيتا الإشعاعي إلى التفاعل الضعيف، الذي يحول النيوترون إلى بروتون وإلكترون ومضاد نيوترينو إلكتروني .

في الفيزياء النووية وفيزياء الجسيمات ، يُعد التفاعل الضعيف ، أو القوة الضعيفة ، أو القوة النووية الضعيفة ، أحد التفاعلات الأساسية الأربعة المعروفة ، إلى جانب الكهرومغناطيسية ، والتفاعل القوي ، والجاذبية . وهو آلية التفاعل بين الجسيمات دون الذرية المسؤولة عن تحلل بيتا الإشعاعي للذرات: يشارك التفاعل الضعيف في الانشطار النووي والاندماج النووي . تُسمى النظرية التي تصف سلوكه وتأثيراته أحيانًا بديناميكا النكهة الكمومية ( QFD )؛ ومع ذلك، نادرًا ما يُستخدم مصطلح QFD، لأن القوة الضعيفة تُفهم بشكل أفضل من خلال نظرية الكهروضعيف (EWT). [ 1 ]

يقتصر المدى الفعال للقوة الضعيفة على المسافات دون الذرية وهو أقل من قطر البروتون. [ 2 ]

خلفية

يُقدّم النموذج القياسي لفيزياء الجسيمات إطارًا موحدًا لفهم التفاعلات الكهرومغناطيسية والضعيفة والقوية. يحدث التفاعل عندما يتبادل جسيمان (عادةً، ولكن ليس بالضرورة، فرميونات ذات لف مغزلي نصف صحيح ) بوزونات ذات لف مغزلي صحيح تحمل قوى . يمكن أن تكون الفرميونات المشاركة في هذه التبادلات أولية (مثل الإلكترونات أو الكواركات ) أو مركبة (مثل البروتونات أو النيوترونات )، مع العلم أنه في أعمق مستويات التحليل، تكون جميع التفاعلات الضعيفة في نهاية المطاف بين جسيمات أولية .

في التفاعل الضعيف، يمكن للفيرميونات تبادل ثلاثة أنواع من حاملات القوة، وهي بوزونات W + و W- و Z.  كتل هذه البوزونات أكبر بكثير من كتلة البروتون أو النيوترون، وهو ما يتوافق مع المدى القصير للقوة الضعيفة. [ 3 ] في الواقع ، تُسمى هذه القوة بالضعيفة لأن شدة مجالها، على أي مسافة محددة ، عادةً ما تكون أقل بعدة مراتب من شدة القوة الكهرومغناطيسية، والتي بدورها أقل بعدة مراتب من القوة النووية القوية .

التفاعل الضعيف هو التفاعل الأساسي الوحيد الذي يكسر تناظر التكافؤ ، وبالمثل، ولكن بشكل أقل بكثير، هو التفاعل الوحيد الذي يكسر تناظر الشحنة والتكافؤ .

تتكون الجسيمات المركبة، مثل النيوترونات والبروتونات، من ستة أنواع رئيسية : العلوي ، والسفلي، والساحر، والغريب، والقمة، والقاع ، والتي تُكسب هذه الجسيمات خصائصها. يتميز التفاعل الضعيف بقدرته الفريدة على استبدال الكواركات بأنواعها المختلفة. ويتم هذا التبادل بواسطة البوزونات الحاملة للقوة. فعلى سبيل المثال، خلال تحلل بيتا السالب ، يتحول الكوارك السفلي داخل النيوترون إلى كوارك علوي، مما يحول النيوترون إلى بروتون وينتج عنه انبعاث إلكترون ومضاد نيوترينو إلكتروني.  

يُعدّ التفاعل الضعيف عاملاً مهماً في اندماج الهيدروجين إلى هيليوم داخل النجم. وذلك لأنه قادر على تحويل البروتون (الهيدروجين) إلى نيوترون، والذي بدوره يندمج مع بروتون آخر لتكوين الديوتيريوم ، وهو عنصر أساسي لاستمرار الاندماج النووي لتكوين الهيليوم. ويُسهّل تراكم النيوترونات تكوين النوى الثقيلة داخل النجم. [ 3 ]

تتحلل معظم الفرميونات بمرور الوقت عبر تفاعل ضعيف. هذا التحلل يُتيح التأريخ بالكربون المشع ، حيث يتحلل الكربون-14 عبر التفاعل الضعيف إلى النيتروجين-14 . كما يُمكن أن يُنتج هذا التحلل تألقًا إشعاعيًا ، يُستخدم عادةً في تألق التريتيوم ، وفي مجال الخلايا الكهروضوئية بيتا [ 4 ] (لكنه لا يُشبه تألق الراديوم ).

يُعتقد أن القوة الكهروضعيفة قد انفصلت إلى القوى الكهرومغناطيسية والضعيفة خلال حقبة الكواركات في الكون المبكر .

تاريخ

في عام 1933، اقترح إنريكو فيرمي أول نظرية للتفاعل الضعيف، والمعروفة باسم تفاعل فيرمي . وأشار إلى أن اضمحلال بيتا يمكن تفسيره بتفاعل رباعي الفرميونات ، يتضمن قوة تلامس بدون مدى. [ 5 ] [ 6 ]

في منتصف خمسينيات القرن العشرين، اقترح تشين نينغ يانغ وتسونغ داو لي لأول مرة أن اتجاه دوران الجسيمات في التفاعل الضعيف قد ينتهك قانون الحفظ أو التناظر. وفي عام 1957، أكدت تجربة وو ، التي أجراها تشين شيونغ وو وزملاؤه، انتهاك التناظر . [ 7 ]

في ستينيات القرن العشرين، قام كل من شيلدون غلاشو وعبد السلام وستيفن واينبرغ بتوحيد القوة الكهرومغناطيسية والتفاعل الضعيف من خلال إظهار أنهما جانبان لقوة واحدة، تُعرف الآن بالقوة الكهروضعيفة. [ 8 ] [ 9 ]

لم يتم تأكيد وجود بوزونات W و Z بشكل مباشر حتى عام 1983. [ 10  ] ( ص 8 )

ملكيات

رسم بياني يوضح مسارات اضمحلال الكواركات الستة نتيجة التفاعل الضعيف المشحون، مع بعض المؤشرات على احتمالية حدوثها. وتُحدد شدة الخطوط بواسطة معاملات CKM .

يتميز التفاعل الضعيف المشحون كهربائياً بعدد من الجوانب الفريدة:

نظراً لكتلتها الكبيرة (حوالي 90 جيجا إلكترون فولت  / ثانية² [ 12 ] ) ، فإن هذه الجسيمات الحاملة، المسماة بوزونات W و Z ، قصيرة العمر، إذ يقل عمرها عن 10⁻²⁴ ثانية . [ 13 ] يتميز التفاعل الضعيف بثابت اقتران (مؤشر على مدى تكرار التفاعلات) يتراوح بين 10⁻⁷ و10⁻⁶ ، مقارنةً بثابت اقتران التفاعل الكهرومغناطيسي الذي يبلغ حوالي 10⁻² وثابت اقتران التفاعل القوي الذي يبلغ حوالي 1؛ [ 14 ] وبالتالي ، يُعتبر التفاعل الضعيف "ضعيفاً" من حيث الشدة. [ 15 ] يتميز التفاعل الضعيف بمدى فعال قصير جداً (حوالي 10⁻¹⁷ إلى 10⁻¹⁶ متر ( 0.01 إلى 0.1 فيمتومتر)) . [ ب ] [ 15 ] [ 14 ] عند مسافات تقارب 10⁻¹⁸ متر (0.001 فيمتومتر)، تكون شدة التفاعل الضعيف مماثلة لشدة القوة الكهرومغناطيسية، لكنها تبدأ بالتناقص أُسّيًا مع ازدياد المسافة. وعند تكبيرها بمقدار رتبة ونصف فقط، أي عند مسافات تقارب 3 × 10⁻¹⁷ متر ، يصبح التفاعل الضعيف أضعف بعشرة آلاف مرة . [ 16 ]         

يؤثر التفاعل الضعيف على جميع فرميونات النموذج القياسي ، بالإضافة إلى بوزون هيغز ؛ وتتفاعل النيوترينوات فقط من خلال الجاذبية والتفاعل الضعيف. لا يُنتج التفاعل الضعيف حالات مُرتبطة ، ولا ينطوي على طاقة ربط - وهو ما تفعله الجاذبية على نطاق فلكي ، والقوة الكهرومغناطيسية على المستويين الجزيئي والذري، والقوة النووية القوية فقط على المستوى دون الذري، داخل النوى . [ 17 ] 

يرجع تأثيرها الأبرز إلى ميزتها الفريدة الأولى: التفاعل الضعيف المشحون الذي يُحدث تغييرًا في النكهة . على سبيل المثال، النيوترون أثقل من البروتون ( النيوكليون المقابل له )، ويمكن أن يتحلل إلى بروتون بتغيير نكهة (نوع) أحد كواركيه السفليين إلى كوارك علوي . لا يسمح التفاعل القوي ولا الكهرومغناطيسية بتغيير النكهة، لذا لا يمكن أن يحدث هذا إلا من خلال التحلل الضعيف ؛ وبدون التحلل الضعيف، ستظل خصائص الكواركات، مثل الغرابة والسحر (المرتبطة بالكوارك الغريب وكوارك السحر على التوالي)، محفوظةً عبر جميع التفاعلات.

جميع الميزونات غير مستقرة بسبب الاضمحلال الضعيف. [ 10 ] (ص29) [ ج ] في العملية المعروفة باسم اضمحلال بيتا ، يمكن أن يتحول الكوارك السفلي في النيوترون إلى كوارك علوي عن طريق انبعاث جسيم W− افتراضي البوزون، الذي يتحلل بعد ذلك إلى إلكترون ومضاد نيوترينو إلكتروني . [ 10 ] (ص28) مثال آخر هو أسر الإلكترون - وهو شكل شائع من أشكال الاضمحلال الإشعاعي - حيث يتفاعل بروتون وإلكترون داخل الذرة ويتحولان إلى نيوترون (يتحول الكوارك العلوي إلى كوارك سفلي)، وينبعث نيوترينو إلكتروني.  

نظراً لكتل  ​​بوزونات W الكبيرة، فإن تحولات الجسيمات أو اضمحلالاتها (مثل تغير النكهة) التي تعتمد على التفاعل الضعيف تحدث عادةً ببطء شديد مقارنةً بالتحولات أو الاضمحلالات التي تعتمد فقط على القوى القوية أو الكهرومغناطيسية. [ د ] على سبيل المثال، يتحلل البيون المتعادل كهرومغناطيسياً، وبالتالي يبلغ عمره حوالي 10⁻¹⁶ ثانية فقط. في المقابل، لا يمكن للبيون المشحون أن يتحلل إلا من خلال التفاعل الضعيف، وبالتالي يبلغ عمره حوالي 10⁻⁸ ثانية ، أي أطول بمئة مليون مرة من البيون المتعادل. [ 10 ] (ص30) ومن الأمثلة المتطرفة بشكل خاص اضمحلال النيوترون الحر بفعل القوة الضعيفة، والذي يستغرق حوالي 15 دقيقة . [ 10 ] (ص28)   

الدوران النظائري الضعيف والشحنة الفائقة الضعيفة

الفرميونات اليسارية في النموذج القياسي [ 18 ]
الجيل الأولالجيل الثانيالجيل الثالث
فرميونرمزالدوران النظيري الضعيففرميونرمزالدوران النظيري الضعيففرميونرمزالدوران النظيري الضعيف
نيوترينو الإلكترونνهـ+ + 1 / 2​​نيوترينو الميونνμ+ + 1 / 2​​نيوترينو تاوντ+ + 1 / 2​​
إلكترونe −- + 1 / 2​​موونμ −- + 1 / 2​​تاوτ −- + 1 / 2​​
الكوارك العلويu+ + 1 / 2​​سحر الكواركج+ + 1 / 2​​الكوارك العلويت+ + 1 / 2​​
الكوارك السفليد- + 1 / 2​​كوارك غريبs- + 1 / 2​​الكوارك السفليب- + 1 / 2​​
جميع الجسيمات اليسارية ( العادية ) المذكورة أعلاه لها جسيمات مضادة يمينية مقابلة ذات دوران نظائري ضعيف متساوٍ ومعاكس.
جميع الجسيمات اليمينية (العادية) والجسيمات المضادة اليسارية لها دوران نظائري ضعيف يساوي 0.

تمتلك جميع الجسيمات خاصية تسمى الدوران النظائري الضعيف (رمزه T3 ) ، والذي يعمل كرقم كمي إضافي يقيد كيفية تفاعل الجسيم مع W ±من القوة الضعيفة. يلعب النظائر الضعيفة نفس الدور في التفاعل الضعيف مع W ±كما هو الحال مع الشحنة الكهربائية في الكهرومغناطيسية ، والشحنة اللونية في التفاعل القوي ؛ يُستخدم رقم مختلف يحمل اسمًا مشابهًا، وهو الشحنة الضعيفة ، والذي سيتم مناقشته أدناه ، للتفاعلات مع Z 0جميع الفرميونات اليسارية لها قيمة إيزوسبين ضعيفة إما + + 1/2 أو - + 1/2 ؛ أما الفرميونات اليمينية فلها قيمة إيزوسبين صفرية. على سبيل المثال، الكوارك العلوي له T3 = + + 1/2 ، والكوارك السفلي له T3 = - + 1/2 . لا يتحلل الكوارك أبدًا من خلال التفاعل الضعيف إلى كوارك له نفس قيمة T3 : الكواركات ذات قيمة T3 تساوي + + 1/2 تتحلل فقط إلى كواركات ذات قيمة T3 تساوي - + 1/2 ، والعكس صحيح .

π +التحلل من خلال التفاعل الضعيف

في أي تفاعل قوي أو كهرومغناطيسي أو ضعيف، يُحفظ التناظر النظائري الضعيف : [ e ] مجموع أعداد التناظر النظائري الضعيف للجسيمات الداخلة في التفاعل يساوي مجموع أعداد التناظر النظائري الضعيف للجسيمات الخارجة من ذلك التفاعل. على سبيل المثال، π + (يساري)، مع دوران نظائري ضعيف +1، يتحلل عادةً إلى νμ (معT3=⁠++1/2⁠) و aμ +(كجسيم مضاد يميني، ⁠ + + 1 / 2 ⁠ ). [ 10 ] (ص30)

ولتطوير النظرية الكهروضعيفة، تم ابتكار خاصية أخرى، وهي الشحنة الفائقة الضعيفة ، والتي تُعرَّف على النحو التالي:

Yدبليو=2(سؤال-تي3)،{\displaystyle Y_{\text{W}}=2\,(Q-T_{3}),}

حيث YW هي الشحنة الفائقة الضعيفة لجسيم ذي شحنة كهربائية Q ( بوحدات الشحنة الأولية ) ونفسية ضعيفة T3 . الشحنة الفائقة الضعيفة هي مولد المكون U(1) لمجموعة القياس الكهروضعيفة؛ في حين أن بعض الجسيمات لها نفسية ضعيفة تساوي صفرًا، فإن جميع الجسيمات المعروفة ذات اللف المغزلي 1/2 لها شحنة فائقة ضعيفة غير صفرية . [ f ]

أنواع التفاعل

يوجد نوعان من التفاعل الضعيف (يُطلق عليهما الرؤوس ). يُسمى النوع الأول " تفاعل التيار المشحون " لأن الفرميونات المتفاعلة بشكل ضعيف تُشكّل تيارًا بشحنة كهربائية كلية غير صفرية. أما النوع الثاني فيُسمى " تفاعل التيار المحايد " لأن الفرميونات المتفاعلة بشكل ضعيف تُشكّل تيارًا بشحنة كهربائية كلية تساوي صفرًا. وهو المسؤول عن انحراف النيوترينوات (النادر) . يتبع هذان النوعان من التفاعل قواعد اختيار مختلفة . غالبًا ما يُساء فهم هذه التسمية على أنها تُشير إلى الشحنة الكهربائية لبوزونات W و Z ، إلا أن هذه التسمية أقدم من مفهوم بوزونات الوسيط، وهي تُشير بوضوح (على الأقل في الاسم) إلى شحنة التيار (المُشكّل من الفرميونات)، وليس بالضرورة إلى شحنة البوزونات نفسها .

التفاعل بين التيار المشحون

مخطط فاينمان لاضمحلال بيتا السالب للنيوترون ( n = udd ) إلى بروتون ( p = udu ) وإلكترون ( e − ) وإلكترون مضاد النيوترينو ν e ، عبر بوزون متجه مشحون ( W − )).

في أحد أنواع تفاعل التيار المشحون، يمكن للبتون المشحون (مثل الإلكترون أو الميون ، الذي يحمل شحنة -1) أن يمتص W + يمكن تحويل البوزون (جسيم ذو شحنة +1) إلى نيوترينو مطابق (ذو شحنة 0)، حيث يكون نوع ("نكهة") النيوترينو (إلكترون ν e ، أو ميون ν μ ، أو تاو ν τ ) هو نفسه نوع الليبتون في التفاعل، على سبيل المثال:

μ-+دبليو+→νμ{\displaystyle \mu ^{-}+\mathrm {W} ^{+}\to \nu _{\mu }}

وبالمثل، يمكن تحويل كوارك من النوع السفلي ( d أو s أو b ، بشحنة ⁠ − + 1 / 3 ⁠ ) إلى كوارك من النوع العلوي ( u أو c أو t ، بشحنة ⁠ + + 2 / 3 ⁠ )، عن طريق انبعاث W − بوزون أو عن طريق امتصاص W + بوزون. وبشكل أدق، يصبح الكوارك السفلي تراكبًا كميًا للكواركات العلوية: أي أنه لديه إمكانية أن يصبح أيًا من الكواركات العلوية الثلاثة، باحتمالات موضحة في جداول مصفوفة CKM . وعلى العكس من ذلك، يمكن للكوارك العلوي أن يُصدر جسيم W +. بوزون، أو امتصاص W − بوزون، وبالتالي يمكن تحويله إلى كوارك من النوع السفلي، على سبيل المثال:

د→u+دبليو-د+دبليو+→uج→s+دبليو+ج+دبليو-→s{\displaystyle {\begin{align}\mathrm {d} &\to \mathrm {u} +\mathrm {W} ^{-}\\\mathrm {d} +\mathrm {W} ^{+}&\to \mathrm {u} \\\mathrm {c} &\to \mathrm {s} +\mathrm {W} ^{+}\\\mathrm {c} +\mathrm {W} ^{-}&\to \mathrm {s} \end{محاذاة}}}

بوزون W  غير مستقر، لذا سيتحلل بسرعة، وله عمر قصير جدًا. على سبيل المثال:

دبليو-→هـ-+ν¯هـ دبليو+→هـ++νهـ {\displaystyle {\begin{align}\mathrm {W} ^{-}&\to \mathrm {e} ^{-}+{\bar {\nu }}_ {\mathrm {e} }~\\\mathrm {W} ^{+}&\to \mathrm {e} ^{+}+\nu _ {\mathrm {e} }~\end{محاذاة}}}

يمكن أن يحدث تحلل  بوزون W إلى نواتج أخرى، باحتمالات متفاوتة. [ 19 ]

في ما يسمى بتحلل بيتا للنيوترون (انظر الصورة أعلاه)، ينبعث من الكوارك السفلي داخل النيوترون جسيم W − افتراضييتحول البوزون، وبالتالي يتحول إلى كوارك علوي، محولاً النيوترون إلى بروتون. ونظرًا للطاقة المحدودة المتضمنة في هذه العملية (أي فرق الكتلة بين الكوارك السفلي والكوارك العلوي)، فإن W− الافتراضيلا يستطيع البوزون حمل طاقة كافية إلا لإنتاج إلكترون ومضاد نيوترينو إلكتروني - وهما أقل كتلتين ممكنتين بين نواتج تحلله المحتملة. [ 20 ] على مستوى الكواركات، يمكن تمثيل العملية على النحو التالي:

د→u+هـ-+ν¯هـ {\displaystyle \mathrm {d} \to \mathrm {u} +\mathrm {e} ^{-}+{\bar {\nu }}_{\mathrm {e} }~}

التفاعل بين التيار المحايد والتيار

في تفاعلات التيار المحايد ، يقوم الكوارك أو الليبتون (مثل الإلكترون أو الميون ) بإصدار أو امتصاص بوزون Z محايد . على سبيل المثال:

هـ-→هـ-+Z0{\displaystyle \mathrm {e} ^{-}\to \mathrm {e} ^{-}+\mathrm {Z} ^{0}}

مثل W ± البوزونات، Z 0 يتحلل البوزون أيضًا بسرعة، [ 19 ] على سبيل المثال:

Z0→ب+ب¯{\displaystyle \mathrm {Z} ^{0}\to \mathrm {b} +{\bar {\mathrm {b} }}}

بخلاف تفاعل التيار المشحون، الذي تكون قواعد اختياره محدودة بشدة بالكيرالية والشحنة الكهربائية و/أو الدوران النظائري الضعيف، فإن التيار المحايد Z 0يمكن أن يتسبب التفاعل في انحراف أي جسيمين من جسيمات النموذج القياسي: سواء كانت جسيمات أو جسيمات مضادة، بأي شحنة كهربائية، وبكلتا حالتي الكيرالية اليسرى واليمنى، على الرغم من اختلاف قوة التفاعل. [ h ]

يؤدي العدد الكمي للشحنة الضعيفة ( Q w ) نفس الدور في تفاعل التيار المحايد مع Z 0تؤدي الشحنة الكهربائية ( Q ، بدون رمز سفلي) دورًا في التفاعل الكهرومغناطيسي : فهي تحدد الجزء المتجه من التفاعل. وقيمتها معطاة بالمعادلة التالية: [ 22 ]

سؤالw=2تي3-4سؤالالخطيئة2⁡θw=2تي3-سؤال+(1-4الخطيئة2⁡θw)سؤال .{\displaystyle Q_{\mathsf {w}}=2\,T_{3}-4\,Q\,\sin ^{2}\theta _{\mathsf {w}}=2\,T_{3}-Q+(1-4\,\sin ^{2}\theta _{\mathsf {w}})\,Q~.}

بما أن زاوية الخلط ضعيفةθw≈29∘{\displaystyle \theta _{\mathsf {w}}\approx 29^{\circ }}، التعبير بين قوسين(1-4الخطيئة2⁡θw)≈0.060{\displaystyle (1-4\,\sin ^{2}\theta _{\mathsf {w}})\approx 0.060}، حيث تتغير قيمتها قليلاً باختلاف الزخم (المسمى " الزخم المتحرك ") بين الجسيمات المعنية. ومن ثم

 سؤالw≈2 تي3-سؤال=علامة⁡(سؤال) (1-|سؤال|) ،{\displaystyle \ Q_{\mathsf {w}}\approx 2\ T_{3}-Q=\operatorname {sgn}(Q)\ {\big (}1-|Q|{\big )}\ ,}

بما أن ذلك يتم وفقاً للاتفاقيةعلامة⁡تي3≡علامة⁡سؤال{\displaystyle \operatorname {sgn} T_{3}\equiv \operatorname {sgn} Q}وكذلك بالنسبة لجميع الفرميونات المشاركة في التفاعل الضعيفتي3=±12{\displaystyle T_{3}=\pm {\tfrac {1}{2}}}⁠ . الشحنة الضعيفة للبتونات المشحونة تكون قريبة من الصفر، لذلك تتفاعل هذه في الغالب مع بوزون Z  من خلال الاقتران المحوري.

النظرية الكهروضعيفة

يصف النموذج القياسي لفيزياء الجسيمات التفاعل الكهرومغناطيسي والتفاعل الضعيف كجانبين مختلفين لتفاعل كهروضعيف واحد. طُوّرت هذه النظرية حوالي عام 1968 على يد شيلدون غلاشو وعبد السلام وستيفن واينبرغ ، وحصلوا على جائزة نوبل في الفيزياء عام 1979 تقديرًا لإسهاماتهم. [ 23 ] وتُقدّم آلية هيغز تفسيرًا لوجود ثلاثة بوزونات قياس ضخمة ( W +).، W −، Z 0[ 24 ] ، وهي الجسيمات الثلاثة الحاملة للتفاعل الضعيف، والفوتون ( γ ، وهو بوزون قياس عديم الكتلة يحمل التفاعل الكهرومغناطيسي).

وفقًا لنظرية التفاعل الكهروضعيف، عند الطاقات العالية جدًا، يحتوي الكون على أربعة مكونات لحقل هيغز ، تتفاعل فيما بينها أربعة بوزونات قياسية عديمة الكتلة تُشكل ثنائية حقل هيغز قياسي معقد. وبالمثل، توجد أربعة بوزونات متجهة كهروضعيفة عديمة الكتلة، كل منها مشابه للفوتون . مع ذلك، عند الطاقات المنخفضة، ينكسر تناظر القياس هذا تلقائيًا إلى تناظر U(1) للكهرومغناطيسية، نظرًا لأن أحد حقول هيغز يكتسب قيمة توقع فراغية . من المتوقع، بشكل مبسط، أن يُنتج كسر التناظر ثلاثة بوزونات عديمة الكتلة ، ولكن بدلًا من ذلك، تندمج بوزونات هيغز الثلاثة "الإضافية" في البوزونات الضعيفة الثلاثة، التي تكتسب بدورها كتلة من خلال آلية هيغز . هذه البوزونات المركبة الثلاثة هي W +.، W −و Z 0 البوزونات التي رُصدت بالفعل في التفاعل الضعيف. البوزون القياسي الكهروضعيف الرابع هو الفوتون ( γ ) للكهرومغناطيسية، والذي لا يقترن بأي من حقول هيغز، وبالتالي يبقى عديم الكتلة. [ 24 ]

وقد قدمت هذه النظرية عدداً من التنبؤات، بما في ذلك التنبؤ بكتل بوزونات Z و W  قبل اكتشافها ورصدها في عام 1983.

في 4  يوليو 2012، أعلن فريقا التجارب CMS وATLAS في مصادم الهادرونات الكبير بشكل مستقل أنهما أكدا الاكتشاف الرسمي لبوزون غير معروف سابقًا بكتلة تتراوح بين 125 وتم تحديد جسيم ذي طاقة 127  جيجا إلكترون فولت/ ثانية² ، والذي كان سلوكه حتى الآن "متوافقًا" مع بوزون هيغز، مع التنويه بحذر إلى ضرورة إجراء المزيد من البيانات والتحليلات قبل تأكيد هوية هذا البوزون الجديد على أنه بوزون هيغز من نوع ما. وبحلول 14  مارس 2013، تم تأكيد وجود بوزون هيغز بشكل مبدئي. [ 25 ]

في حالة افتراضية حيث يتم تخفيض مقياس كسر التناظر الكهروضعيف ، فإن تفاعل SU(2) غير المكسور سيصبح في النهاية تفاعلًا مقيدًا . وتبدو النماذج البديلة التي يصبح فيها SU(2) مقيدًا فوق هذا المقياس متشابهة كميًا مع النموذج القياسي عند الطاقات المنخفضة، ولكنها تختلف اختلافًا جذريًا فوق كسر التناظر. [ 26 ]

انتهاك التناظر

الجسيمات ذات اللف المغزلي الأيسر والأيمن : p هو زخم الجسيم و S هو لفه المغزلي . لاحظ غياب التناظر الانعكاسي بين الحالتين.

لطالما ساد الاعتقاد بأن قوانين الطبيعة تبقى ثابتة عند انعكاسها في المرآة . وكان يُتوقع أن تكون نتائج تجربة ما، عند مشاهدتها عبر مرآة، مطابقة لنتائج نسخة مُصنَّعة بشكل منفصل من الجهاز التجريبي، معكوسة في المرآة، عند مشاهدتها من خلالها. عُرف أن قانون حفظ التكافؤ هذا يُحترم في الجاذبية الكلاسيكية والكهرومغناطيسية والتفاعل القوي ؛ وكان يُفترض أنه قانون كوني. [ 27 ] مع ذلك، في منتصف خمسينيات القرن العشرين، اقترح تشن نينغ يانغ وتسونغ داو لي أن التفاعل الضعيف قد يُخالف هذا القانون. وفي عام 1957، اكتشف تشين شيونغ وو وزملاؤه أن التفاعل الضعيف يُخالف التكافؤ، مما أكسب يانغ ولي جائزة نوبل في الفيزياء لعام 1957. [ 28 ]

على الرغم من أن التفاعل الضعيف وُصف سابقًا بنظرية فيرمي ، إلا أن اكتشاف انتهاك التكافؤ ونظرية إعادة التطبيع أشارا إلى الحاجة إلى منهج جديد. في عام ١٩٥٧، اقترح روبرت مارشاك وجورج سودارشان ، وبعد ذلك بقليل ريتشارد فاينمان وموراي جيل مان ، لاغرانجيان V  -  A ( المتجه ناقص المتجه المحوري أو اليساري) للتفاعلات الضعيفة. في هذه النظرية، يؤثر التفاعل الضعيف فقط على الجسيمات اليسارية (والجسيمات المضادة اليمينية). وبما أن انعكاس المرآة للجسيم اليساري يكون يمينيًا، فإن هذا يفسر أقصى انتهاك للتكافؤ. طُوّرت نظرية V - A قبل اكتشاف بوزون Z، لذا لم تتضمن الحقول اليمينية التي تدخل في تفاعل التيار المحايد.   

مع ذلك، سمحت هذه النظرية بالحفاظ على التناظر المركب CP . يجمع CP بين التكافؤ P (التبديل من اليسار إلى اليمين) واقتران الشحنة C (تبديل الجسيمات بمضاداتها). وقد فوجئ الفيزيائيون مجددًا عندما قدم جيمس كرونين وفال فيتش ، في عام 1964، دليلًا واضحًا في اضمحلالات الكاون على إمكانية كسر تناظر CP أيضًا، مما أهّلهما للفوز بجائزة نوبل في الفيزياء عام 1980. [ 29 ] وفي عام 1973، أظهر ماكوتو كوباياشي وتوشيهيدي ماسكاوا أن انتهاك CP في التفاعل الضعيف يتطلب أكثر من جيلين من الجسيمات، [ 30 ] متنبئين فعليًا بوجود جيل ثالث غير معروف آنذاك. وقد حاز هذا الاكتشاف على نصف جائزة نوبل في الفيزياء عام 2008. [ 31 ]

على عكس انتهاك التكافؤ، لا يحدث انتهاك تناظر الشحنة الزوجية  إلا في ظروف نادرة. ورغم محدودية حدوثه في ظل الظروف الحالية، يُعتقد على نطاق واسع أنه السبب وراء وجود كمية من المادة تفوق بكثير كمية المادة المضادة في الكون، وبالتالي يشكل أحد الشروط الثلاثة التي وضعها أندريه ساخاروف لتكوين الباريونات . [ 32 ]

انظر أيضاً

الحواشي

  1. ↑ نظرًا لقدرتها الفريدة على تغيير نكهة الجسيمات ، يُطلق على تحليل التفاعل الضعيف أحيانًا اسم ديناميكيات النكهة الكمومية ، قياسًا على اسم الديناميكا اللونية الكمومية المستخدمة أحيانًا للقوة القوية .
  2. ↑ قارن بنصف قطر شحنة البروتون 8.3×10 −16  م ~ 0.83 فم.
  3. ↑ البيون المحايد ( π 0ومع ذلك، يتحلل )، كهرومغناطيسيًا، والعديد من الميزونات الأخرى (عندما تسمح أعدادها الكمية) تتحلل في الغالب عن طريق تفاعل قوي .
  4. ↑ الاستثناء البارز، وربما الفريد، لهذه القاعدة هو تحلل الكوارك العلوي ، الذي تتجاوز كتلته مجموع كتل الكوارك السفلي و W + البوزون الذي يتحلل إليه، ولذلك لا يوجد قيد طاقي يبطئ انتقاله. سرعة تحلله الفريدة بفعل القوة الضعيفة أعلى بكثير من سرعة ربطه بالكواركات الأخرى بفعل التفاعل القوي (أو " قوة اللون ").
  5. ↑ التفاعلات مع بوزون هيغز فقط هي التي تنتهك حفظ التناظر الضعيف، ويبدو أنها تفعل ذلك دائمًا بشكل أقصى:|Δتي3|=12 .{\displaystyle {\bigl |}\Delta T_{3}{\bigr |}={\tfrac {1}{2}}\ .}
  6. ↑ بعض الفرميونات المفترضة، مثل النيوترينوات العقيمة ، ستكون بلا شحنة فائقة ضعيفة - في الواقع، لا توجد بها أي شحنات قياسية معروفة. إن وجود مثل هذه الجسيمات فعلياً هو مجال بحث نشط. 
  7. ↑ يمكن اعتبار تبادل بوزون W افتراضي بنفس القدر على أنه (على سبيل المثال) انبعاث W + أو امتصاص W − ؛ أي، بالنسبة للوقت على محور الإحداثيات الرأسي، على أنه W + من اليسار إلى اليمين، أو بشكل مكافئ على أنه W − من اليمين إلى اليسار.
  8. ↑ الفرميونات الوحيدة التي Z 0لا تتفاعل النيوترينوات "العقيمة" الافتراضية على الإطلاق : النيوترينوات المضادة ذات الكيرالية اليسرى والنيوترينوات ذات الكيرالية اليمنى. تُسمى "عقيمة" لأنها لا تتفاعل مع أي جسيم من جسيمات النموذج القياسي، باستثناء ربما بوزون هيغز . وحتى الآن، تبقى هذه النيوترينوات مجرد تخمين: فاعتبارًا من أكتوبر  2021، لم يُعرف وجود أي نيوترينوات من هذا النوع في الواقع.
    " لقد أجرى مشروع MicroBooNE دراسة شاملة للغاية من خلال أنواع متعددة من التفاعلات، وتقنيات تحليل وإعادة بناء متعددة"، كما تقول المتحدثة المشاركة بوني فليمنج من جامعة ييل. "جميعها تؤكد لنا نفس النتيجة، وهذا يمنحنا ثقة كبيرة في نتائجنا بأننا لا نرى أي دليل على وجود نيوترينو عقيم." [ 21 ]
    يقول المنظر ميخائيل شابوشنيكوف من المعهد الفدرالي السويسري للتكنولوجيا في لوزان: "  لم تعد النيوترينوات العقيمة ذات طاقة الإلكترون فولت تبدو مدفوعة تجريبياً، ولم تحل أي مشاكل عالقة في النموذج القياسي". ويضيف: "لكن النيوترينوات العقيمة ذات طاقة الجيجا إلكترون فولت إلى الكيلو إلكترون فولت - ما يسمى بفيرميونات ماجورانا - لها أساس نظري قوي ولا تتعارض مع أي تجربة قائمة". [ 21 ]

مراجع

  1. ↑ غريفيث، ديفيد (2009). مقدمة في الجسيمات الأولية . وايلي. ص 59-60 . ISBN  978-3-527-40601-2.
  2. ↑ شوينجر، جوليان (1 نوفمبر 1957). "نظرية التفاعلات الأساسية". حوليات الفيزياء . 2 (5): 407-434 . Bibcode : 1957AnPhy...2..407S . doi : 10.1016/0003-4916(57)90015-5 . ISSN 0003-4916 . 
  3. 1 2 نيف، سي آر. "القوى الأساسية - القوة الضعيفة" . جامعة ولاية جورجيا. مؤرشف من الأصل في 2 أبريل 2023. تم الاسترجاع في 12 يوليو 2023 .
  4. ↑ «جائزة نوبل في الفيزياء 1979» . NobelPrize.org (بيان صحفي). مؤسسة نوبل الإعلامية . تاريخ الاطلاع: 22 مارس 2011 .
  5. ^ فيرمي ، إنريكو (1934). "Ver such einer Theorie der β-Strahlen. I" [ بحث عن نظرية لتحلل بيتا ] . Zeitschrift für Physik A (باللغة الألمانية). 88 ( 3– 4): 161– 177. بيب كود : 1934ZPhy...88..161F . دوى : 10.1007/BF01351864 . S2CID 125763380 . 
  6. ↑ ويلسون، فريد ل. (ديسمبر 1968). "نظرية فيرمي لتحلل بيتا". المجلة الأمريكية للفيزياء . 36 (12): 1150-1160 . Bibcode : 1968AmJPh..36.1150W . doi : 10.1119/1.1974382 .
  7. ↑ «جائزة نوبل في الفيزياء» . NobelPrize.org . مؤسسة نوبل الإعلامية. 1957. تم الاطلاع عليه بتاريخ 26 فبراير 2011 .
  8. ↑ "ستيفن واينبرغ، التفاعلات الضعيفة، والتفاعلات الكهرومغناطيسية" . مؤرشف من الأصل في 9 أغسطس 2016.
  9. ↑ «جائزة نوبل في الفيزياء» . جائزة نوبل (بيان صحفي). 1979. مؤرشف من الأصل في 6 يوليو 2014.
  10. 1 2 3 4 5 6 كوتينغهام، دبليو إن؛ غرينوود، دي إيه (2001) [1986]. مقدمة في الفيزياء النووية (الطبعة الثانية ). مطبعة جامعة كامبريدج. ص 30. ISBN   978-0-521-65733-4.
  11. ↑ وونغ، صموئيل إس إم (25 نوفمبر 1998). مقدمة في الفيزياء النووية ( الطبعة الأولى). وايلي. doi : 10.1002/9783527617906 . ISBN  978-0-471-23973-4.
  12. ↑ ياو، و.م.؛ وآخرون ( مجموعة بيانات الجسيمات ) (2006). "مراجعة فيزياء الجسيمات: الكواركات" (ملف PDF) . مجلة الفيزياء G. 33 ( 1): 1-1232 . arXiv : astro-ph/0601168 . Bibcode : 2006JPhG...33....1Y . doi : 10.1088/0954-3899/33/1/001 . 
  13. ↑ واتكينز ، بيتر (1986). قصة حرفي W و Z. كامبريدج: مطبعة جامعة كامبريدج. ص 70. ISBN  978-0-521-31875-4.
  14. 1 2 "ثوابت الاقتران للقوى الأساسية" . هايبرفيزيكس . جامعة ولاية جورجيا . تم الاطلاع عليه في 2 مارس 2011 .
  15. 1 2 كريستمان، ج. (2001). "التفاعل الضعيف" (ملف PDF) . فيزنت . جامعة ولاية ميشيغان . مؤرشف من الأصل (ملف PDF) في 20 يوليو 2011.
  16. ↑ "إلكتروويك" . مغامرة الجسيمات . مجموعة بيانات الجسيمات . تم الاسترجاع في 3 مارس 2011 .
  17. ↑ غرينر، والتر؛ مولر، بيرندت (2009). نظرية القياس للتفاعلات الضعيفة . سبرينغر. ص 2. ISBN  978-3-540-87842-1.
  18. ↑ بايز، جون سي .؛ هويرتا، جون (2010). "جبر النظريات الموحدة الكبرى" . نشرة الجمعية الرياضية الأمريكية . 0904 (3): 483-552 . arXiv : 0904.1556 . Bibcode : 2009arXiv0904.1556B . doi : 10.1090/s0273-0979-10-01294-2 . S2CID 2941843. تاريخ الاسترجاع: 15 أكتوبر 2013 . 
  19. 1 2 ناكامورا، ك.؛ وآخرون ( مجموعة بيانات الجسيمات ) (2010). "بوزونات القياس وبوزونات هيغز" (ملف PDF) . مجلة الفيزياء G. 37 ( 7A) 075021. Bibcode : 2010JPhG...37g5021N . doi : 10.1088/0954-3899/37/7a/075021 . 
  20. ↑ ناكامورا، ك.؛ وآخرون ( مجموعة بيانات الجسيمات ) (2010). " ن " (ملف PDF) . مجلة الفيزياء G. 37 ( 7A): 7. Bibcode : 2010JPhG...37g5021N . doi : 10.1088/0954-3899/37/7a/075021 . 
  21. 1 2 راينر، مارك (28 أكتوبر 2021). "تجربة مايكروبون لا ترصد أي دليل على وجود نيوترينو عقيم" . سيرن كورير . تم الاطلاع عليه في 9 نوفمبر 2021 .
  22. ↑ دزوبا، ف.أ.؛ بيرينغوت، ج.س.؛ فلامباوم، ف.ف.؛ روبرتس، ب. (2012). "إعادة النظر في عدم حفظ التكافؤ في السيزيوم". رسائل المراجعة الفيزيائية . 109 (20) 203003. arXiv : 1207.5864 . Bibcode : 2012PhRvL.109t3003D . doi : 10.1103/PhysRevLett.109.203003 . PMID 23215482. S2CID 27741778 .  
  23. ↑ "جائزة نوبل في الفيزياء 1979" . NobelPrize.org . Nobel Media . تم الاطلاع عليه بتاريخ 26 فبراير 2011 .
  24. 1 2 سي. أمسلر وآخرون ( مجموعة بيانات الجسيمات ) (2008). "مراجعة فيزياء الجسيمات - بوزونات هيغز: النظرية والبحث" (ملف PDF) . رسائل الفيزياء ب . 667 (1): 1-6 . Bibcode : 2008PhLB..667....1A . doi : 10.1016/j.physletb.2008.07.018 . hdl : 1854/LU-685594 . S2CID 227119789 . 
  25. ↑ «تشير نتائج جديدة إلى أن الجسيم الجديد هو بوزون هيغز» . home.web.cern.ch. سيرن . مارس 2013. تم الاطلاع عليه في 20 سبتمبر 2013 .
  26. ↑ كلاودسون، م.؛ فرحي، إ.؛ جافي، ر. ل. (1 أغسطس 1986). "النموذج القياسي المقترن بقوة". مجلة Physical Review D. 34 ( 3): 873-887 . Bibcode : 1986PhRvD..34..873C . doi : 10.1103/PhysRevD.34.873 . PMID 9957220 . 
  27. ↑ كاري، تشارلز و. (2006). "لي، تسونغ داو" . علماء أمريكيون . فاكتس أون فايل إنك. ص 225. ISBN  978-1-4381-0807-0– عبر كتب جوجل.
  28. ↑ «جائزة نوبل في الفيزياء» . NobelPrize.org . مؤسسة نوبل الإعلامية. 1957. تم الاطلاع عليه بتاريخ 26 فبراير 2011 .
  29. ↑ «جائزة نوبل في الفيزياء» . NobelPrize.org . مؤسسة نوبل الإعلامية. 1980. تم الاطلاع عليه بتاريخ 26 فبراير 2011 .
  30. ↑ كوباياشي، م.؛ ماسكاوا، ت. (1973). "انتهاك تناظر الشحنة الزوجية في نظرية التفاعل الضعيف القابلة لإعادة التطبيع" (ملف PDF) . التقدم في الفيزياء النظرية . 49 (2): 652-657 . Bibcode : 1973PThPh..49..652K . doi : 10.1143/PTP.49.652 . hdl : 2433/66179 .
  31. ↑ «جائزة نوبل في الفيزياء» . NobelPrize.org . Nobel Media. 2008. تم الاطلاع عليه بتاريخ 17 مارس 2011 .
  32. ↑ لانغاكر، بول (2001) [1989]. "انتهاك تناظر الشحنة الزوجية وعلم الكونيات". في جارلسكوج، سيسيليا (محررة). انتهاك تناظر الشحنة الزوجية . لندن، ريفر إيدج : دار النشر العالمية العلمية، ص 552. ISBN  978-9971-5-0561-5– عبر كتب جوجل.

مصادر

اِصطِلاحِيّ

  • غرينر، دبليو .؛ مولر، ب. (2000). نظرية القياس للتفاعلات الضعيفة . سبرينغر. ISBN 3-540-67672-4.
  • كوفلان، جي دي؛ دود، جي إي؛ غريبايوس، بي إم (2006). أفكار فيزياء الجسيمات: مقدمة للعلماء (  الطبعة الثالثة). مطبعة جامعة كامبريدج. ISBN 978-0-521-67775-2.
  • كوتينغهام، دبليو إن؛ غرينوود، دي إيه (2001) [1986]. مقدمة في الفيزياء النووية (الطبعة الثانية  ). مطبعة جامعة كامبريدج. ص  30. ISBN 978-0-521-65733-4.
  • غريفيث، دي جيه (1987). مقدمة في الجسيمات الأولية . جون وايلي وأولاده. رقم ISBN 0-471-60386-4.
  • كين، جي إل (1987). فيزياء الجسيمات الأولية الحديثة . دار بيرسيوس للنشر . رقم ISBN 0-201-11749-5.
  • بيركنز، د. هـ. (2000). مقدمة في فيزياء الطاقة العالية . مطبعة جامعة كامبريدج. رقم ISBN 0-521-62196-8.

للقراء عموماً