Механизм бета-распада по Ферми: история и развитие
Fermi's interaction
Взаимодействие Ферми: теория бета-распада, предложенная в 1933 году. Объясняет распад нейтрона через взаимодействие четырех фермионов и является предшественником слабой теории.
Сравнивайте с английским: нажмите на абзац — оригинал откроется в окне. Кнопка EN под абзацем показывает его прямо в тексте.
Содержание
Введение
Механизм бета-распада, предложенный в 1933 году
Mechanism of beta decay proposed in 1933
В физике частиц взаимодействие Ферми (также теория Ферми о бета-распаде или взаимодействие Ферми четырех фермионов) — это объяснение бета-распада, предложенное Энрико Ферми в 1933 году. Теория постулирует, что четыре фермиона непосредственно взаимодействуют друг с другом (в одной вершине соответствующей диаграммы Фейнмана). Это взаимодействие объясняет бета-распад нейтрона прямым взаимодействием нейтрона с электроном, нейтрино (впоследствии установленным как антинейтрино) и протоном. Ферми впервые ввел это взаимодействие в своем описании бета-распада в 1933 году. Взаимодействие Ферми стало предшественником теории слабого взаимодействия, в которой взаимодействие между протоном и нейтроном, а также электроном и антинейтрино, опосредовано виртуальным W−бозоном, а теория Ферми является эффективной теорией поля при низких энергиях. По словам Юджина Вигнера, который вместе с Иорданом ввел преобразование Иордана — Вигнера, работа Ферми о бета-распаде была его основным вкладом в историю физики.
In particle physics, Fermi's interaction (also the Fermi theory of beta decay or the Fermi four fermion interaction) is an explanation of the beta decay, proposed by Enrico Fermi in 1933. The theory posits four fermions directly interacting with one another (at one vertex of the associated Feynman diagram). This interaction explains beta decay of a neutron by direct coupling of a neutron with an electron, a neutrino (later determined to be an antineutrino) and a proton. Fermi first introduced this coupling in his description of beta decay in 1933. The Fermi interaction was the precursor to the theory for the weak interaction where the interaction between the proton–neutron and electron–antineutrino is mediated by a virtual W− boson, of which the Fermi theory is the low energy effective field theory. According to Eugene Wigner, who together with Jordan introduced the Jordan–Wigner transformation, Fermi's paper on beta decay was his main contribution to the history of physics.
История первоначального отказа и последующей публикации
Ферми впервые представил свою "предварительную" теорию бета-распада престижному научному журналу Nature, который отклонил ее, "поскольку она содержала спекуляции, слишком оторванные от реальности, чтобы представлять интерес для читателя". Утверждалось, что Nature впоследствии признал этот отказ одной из крупнейших редакционных ошибок в своей истории, однако биограф Ферми Дэвид Н. Шварц возразил, что это не подтверждено и маловероятно. Затем Ферми представил пересмотренные версии статьи в итальянские и немецкие издания, которые приняли и опубликовали их на этих языках в 1933 и 1934 годах. В то время статья не была опубликована в ведущем научном журнале на английском языке. В статье утверждалось, что излучение и поглощение нейтрино и электронов в ядре, согласно теории возмущений второго порядка, должны приводить к притяжению между протонами и нейтронами, аналогично тому, как излучение и поглощение фотонов порождает электромагнитное взаимодействие. Он пришел к выводу, что сила будет иметь вид , но современные экспериментальные данные показали значение, которое было на миллион меньше ожидаемого. В следующем году Хидеки Юкава развил эту идею, но в его теории нейтрино и электроны были заменены новой гипотетической частицей с массой покоя примерно в 200 раз превышающей массу электрона.
Fermi first submitted his "tentative" theory of beta decay to the prestigious science journal Nature, which rejected it "because it contained speculations too remote from reality to be of interest to the reader." It has been argued that Nature later admitted the rejection to be one of the great editorial blunders in its history, but Fermi's biographer David N. Schwartz has objected that this is both unproven and unlikely. Fermi then submitted revised versions of the paper to Italian and German publications, which accepted and published them in those languages in 1933 and 1934. The paper did not appear at the time in a primary publication in English. that the emission and absorption of neutrinos and electrons in the nucleus should, at the second order of perturbation theory, lead to an attraction between protons and neutrons, analogously to how the emission and absorption of photons leads to the electromagnetic force. He found that the force would be of the form , but that contemporary experimental data led to a value that was too small by a factor of a million. The following year, Hideki Yukawa picked up on this idea, but in his theory the neutrinos and electrons were replaced by a new hypothetical particle with a rest mass approximately 200 times heavier than the electron.
Позднее развитие
Теория четырех фермионов Ферми весьма точно описывает слабое взаимодействие. К сожалению, вычисленное сечение, или вероятность взаимодействия, растет пропорционально квадрату энергии. Поскольку это сечение растет неограниченно, теория неприменима при энергиях, значительно превышающих примерно 100 ГэВ. Здесь GF – постоянная Ферми, обозначающая силу взаимодействия. Это в конечном итоге привело к замене четырехфермионного контактного взаимодействия более полной теорией (УФ-завершением) – обменом W или Z бозонами, как это объясняется в электрослабой теории. Это взаимодействие также могло объяснить распад мюона посредством связи мюона, электронного антинейтрино, мюонного нейтрино и электрона, обладающих той же фундаментальной силой взаимодействия. Эта гипотеза была предложена Герштейном и Зельдовичем и известна как гипотеза сохранения векторного тока. В исходной теории Ферми предполагалось, что форма взаимодействия представляет собой контактное соединение двух векторных токов. Позднее Ли и Ян указали на то, что ничто не препятствует появлению осевого тока, нарушающего чётность, что было подтверждено экспериментами, проведенными Чиен Шиун Ву. Включение нарушения чётности во взаимодействие Ферми было осуществлено Джорджем Гамоу и Эдвардом Теллером в так называемых переходах Гамоу — Теллера, которые описывали взаимодействие Ферми с точки зрения "допустимых" распадов с нарушением чётности и "сверхдопустимых" распадов с сохранением чётности, соответствующих антипараллельным и параллельным спиновым состояниям электрона и нейтрино соответственно. До появления электрослабой теории и Стандартной модели Джордж Сударшан и Роберт Маршак, а также независимо Ричард Фейнман и Мюррей Гелл-Манн, смогли определить правильную тензорную структуру (вектор минус осевой вектор, V − A) четырехфермионного взаимодействия.
Fermi's four fermion theory describes the weak interaction remarkably well. Unfortunately, the calculated cross section, or probability of interaction, grows as the square of the energy Since this cross section grows without bound, the theory is not valid at energies much higher than about 100 GeV. Here GF is the Fermi constant, which denotes the strength of the interaction. This eventually led to the replacement of the four fermion contact interaction by a more complete theory (UV completion)—an exchange of a W or Z boson as explained in the electroweak theory. The interaction could also explain muon decay via a coupling of a muon, electron antineutrino, muon neutrino and electron, with the same fundamental strength of the interaction. This hypothesis was put forward by Gershtein and Zeldovich and is known as the Vector Current Conservation hypothesis. In the original theory, Fermi assumed that the form of interaction is a contact coupling of two vector currents. Subsequently, it was pointed out by Lee and Yang that nothing prevented the appearance of an axial, parity violating current, and this was confirmed by experiments carried out by Chien Shiung Wu. The inclusion of parity violation in Fermi's interaction was done by George Gamow and Edward Teller in the so called Gamow–Teller transitions which described Fermi's interaction in terms of parity violating "allowed" decays and parity conserving "superallowed" decays in terms of anti parallel and parallel electron and neutrino spin states respectively. Before the advent of the electroweak theory and the Standard Model, George Sudarshan and Robert Marshak, and also independently Richard Feynman and Murray Gell Mann, were able to determine the correct tensor structure (vector minus axial vector, V − A) of the four fermion interaction.