Cлабое взаимодействие. Основные процессы. Слабые заряды. Бета-распад. Переходы Ферми и Гамова-Теллера. График Кюри. Опыты по измерению массы нейтрино в бета-распаде трития. Обратный бета-распад. Сечение взаимодействия нейтрино с нуклоном. Нарушение Р-четности. Опыты Ву, Ледермана, Телегди. Нарушение четности в распаде . Cлабое взаимодействие Константы взаимодействия Сильное - s 1 Электромагнитное - = e2/4 = 1/137 Cлабое – GF M2 1.0210-5 Cечения взаимодействия Сильное – 10-26 см2 – 10 mb Электромагнитное - 10-29 см2 – 10 b Cлабое – 10-40 см2 Время жизни Сильное – 10-23 с Электромагнитное - 10-19 с Cлабое – 10-8 – 10-10 с Слабое взаимодействие и жизнь Горение Солнца: He + 3He 4He + 2p + 14 МэВ 3 p + d 3He + p + p d + e+ + e tpp 1010 лет Cлабые взаимодействия Лептонные e + e e + e e + e + Полулептонные n p + e- + e , S=0 K + , S=1 Нелептонные p+pp+p e pe p L (s p) =-1 R (s p) = +1 ALR = (L-R)/ (L+R) ALR =0 – четность сохраняется ALR = -14.92 ppm ± 0.98 (stat) ppm ± 0.56 (syst) ppm ppm = 10-6 + p Слабый заряд Q 0 e Q 1 e Лептонные заряды – Le , L , L BR(e) < 3 10-11 Кажущееся сохранение, в стандартной модели BR(e) 10-48, если m() < 1 eV Слабые заряды - истинные g1 – слабый гиперзаряд g2 – слабый изоспин Слабое взаимодействие – обмен промежуточными бозонами d u W+ e e e W и Z-бозоны, m(W)=80 ГэВ, m(Z)=91 ГэВ Большая масса переносчика взаимодействия – точечность взаимодействия GF Эффективная константа слабого взаимодействия – константа Ферми GF 1.0210-5 / M2 = 1.16 10-5 GeV-2 Малость взаимодействия – из-за массивности переносчика взаимодействия 2 g GF 2 MW g – связь лептона и W GF – эффективная константа, которую “видит” наблюдатель Универсальность слабого взаимодействия Константы связи всех лептонов с W и Z – одинаковы (Б.М.Понтекорво, 1949) (→e e) G2 m5 = (G2 m5)/(192 3 ) (→e e) G2 m5 Одинаковы ли G из распадов и ? (g/g) = 0.9990.003 (g/ge) = 1.0010.004 Бета-распад n p + e + e d u + e + e d u W+ e e e Нейтрино Паули (1930): “desperate remedy” – почему спектр электронов в бета-распаде n p + e непрерывный n p + e + Альтернативное объяснение (Н.Бор) – нарушается закон сохранения энергии/импульса W G2 |M|2 dN/dE0 n p + e + e переходы Ферми переходы Гамова-Теллера Переходы Ферми - |M|2 1 Переходы Гамова-Теллера - |M|2 3 Найдем dN/dE0: k e + k + k p = 0 Te + T + Tp = E0 E0 1 МэВ Tp = k2p /2M 10-3 МэВ Tp – мало T = E0 - Te k = E0 - Te dN dp = 4 p2 dp dNe k2e dke dN k2 dk = (E0 - Te)2 dE0 dN dNe dN= = k2e (E0 - Te)2 dke dE0 d2 N/ dke dE0 k2e (E0 - Te)2 график Кюри (Kurie) [(k2e)-1 d2 N/ dke dE0]1/2 =K(Te) (E0 - Te) m 0 d2 N/ dke dEf k2e (E0 - Te)2 m 2 1 ( ) E0 Te (C.Weinheimer, hep-exp/0912.1619) m < 2.2 eV , 95% CL Нейтринные облака В.М.Лобашев, Троицк Пик в спектре 3Н 5-15 эВ от конца спектра ширина < 7 эВ интенсивность 10-10 основного перехода осцилляции с периодом T=0.5 года Реликтовые нейтрино + 3H 3He + e I 10-10 соответствует N 0.5 1015 /cm3 Реликтовые нейтрино N 110 /cm3 Нейтринные облака !? Вопрос дотошного студента: Почему Т=0.5 года? Литература: V.M.Lobashev et al., Nucl.Phys. B91 (2001) 280 Сечение бета-распада n p + e + e e + p n + e+ G2 p2 (p) |M | vi v f 2 |M|2 4 vi = vf = c ; (p) 4G 2 p 2 , p – импульс в сцм Cечение взаимодействия нейтрино с веществом растет с энергией E 1 МэВ: 10-43 cm2 (H2O) 1020 cm = 50 световых лет Первое предложение по экспериментальной регистрации нейтрино – Б.М.Понтекорво, 1949 Нарушение Р-четности Pi Pf A = A1 P(+) + A2 P(-) Уровень со спином 8, 8- в ядре 180Hf смешивается с уровнем 8+. Возникает асимметрия (CERN Courier, Jan.2007, 20) Различимость Опыт Ву, 1956 60 Сo 60 Ni + e + e T=0.01K Детектор H e p v A( ) 1 1 cos E c = -1 - для электронов Четность нарушается максимальным образом (Р.Фейнман проспорил 50$, он не верил в максимальное нарушение четности, Cern Courier, Sept.2007, p.12) = +1 - для позитронов Электроны – левые Позитроны – правые (в основном!) Нейтрино – левые Антинейтрино – правые Поляризация мюонов 1957, L.Lederman, L.Garwin, M.Weinrich J.Friedman, V.Telegdi + + + + e+ + e + e+ e Поляризованные мюоны задают направление e+ + + A( ) 1 3 cos BF 0.062 0.027 (J.F.,V.T.) BF Нарушение четности – опыт 2005 г A = A1 P(+) + A2 P(-) Пучок метастабильного ядра 180Hf со спином 8 и отрицательной четностью имплантируется в намагниченную железную фольгу, которую охлаждают до температуры 20 mK. 8- →8+ Детектируют линию от 8+ Гамма-кванты от этой линии имеют асимметрию относительно направления поляризации. (CERN Courier, Jan.2007, 20) p + + p + K p K Естественная поляризация задает выделенное направление [ p p K ] N () N () P 0.7 N () N () Поляризация - эффект сильного взаимодействия Асимметрия вверх-вниз – эффект слабого взаимодействия Распад 100% поляризованной : p + L J = ½, Jz = +1/2 J=L+S L=0, L=1 = S + P - следствие нарушения четности S a Y S 0 0 as - вероятность состояния с L=0 YLm - m = mp + mL mp – z- компонента спина протона mL – z-компонента углового момента L + - спиновая часть в.ф. для S=1/2, ms=1/2 1 0 2 1 P aPY1 aPY1 3 3 JZ =+1/2 mp =+1/2 mL=0 mp =-1/2 mL=1 Y 1, 0 0 1 0 Y1 cos , 3 2 1 Y1 sin 3 * = |aS|2 + |aP|2 – 2 Re(aS aP*) cos I() = 1 + cos 2 Re( a S a P* ) | a S |2 | a P |2 =0.642±0.013 – для =-0.98±0.016 – для + Для распада не полностью поляризованных : I() = 1 + P cos P – вектор поляризации Асимметрия вверх-вниз (для поляризованных Смешались S- и Р-волны….