Электрослабое
объединение

Бета-распад и слабое взаимодействие

Слабая ядерная сила отвечает за бета-распад — процесс, при котором нейтрон превращается в протон, электрон и антинейтрино. Это происходит потому, что d-кварк в нейтроне превращается в u-кварк посредством W⁻-бозона. Слабое взаимодействие — единственная сила, нарушающая ароматовую симметрию кварков, то есть способная превращать один тип кварка в другой.

Радиус действия слабой силы чрезвычайно мал — всего около 10⁻¹⁸ метра, что намного меньше протона. Причина в большой массе её бозонов-переносчиков: W⁺, W⁻ и Z⁰. Эта масса — прямой отпечаток нарушения симметрии Хиггса. При низких энергиях слабая сила поэтому действует точечно — именно так описал её Ферми в своей теории бета-распада 1934 года, ещё не зная, что за ней стоят массивные бозоны.

Ещё одна особенность слабой силы: она максимально нарушает чётность. Она взаимодействует исключительно с левосторонними фермионами и правосторонними антифермионами. Правосторонние кварки и электроны не участвуют в слабом взаимодействии. Это максимальное нарушение чётности стало одним из самых больших сюрпризов физики частиц XX века.

W- и Z-бозоны

W- и Z-бозоны были открыты в 1983 году на протон-антипротонном коллайдере SppS в ЦЕРН — именно при тех массах, которые предсказывала электрослабая теория. Карло Руббиа и Симон ван дер Мер получили за это в 1984 году Нобелевскую премию. Это стало триумфальным подтверждением предсказательной силы теории.

Глэшоу, Салам, Вайнберг — одна сила из двух

В 1960-х годах Шелдон Глэшоу, Абдус Салам и Стивен Вайнберг независимо друг от друга разработали теорию, описывающую электромагнетизм и слабую силу в единых рамках. Основная идея: обе силы — проявления единой калибровочной симметрии SU(2)×U(1), нарушенной вскоре после Большого взрыва.

Выше энергетического масштаба около 100 ГэВ — достижимого в современных ускорителях — W- и Z-бозоны ведут себя как безмассовые и становятся сравнимы с фотонами. Электромагнетизм и слабая сила тогда становятся неразличимы. При низких энергиях (в повседневной жизни) нарушение симметрии Хиггса разрушает это единство: W и Z приобретают массу, радиус действия слабой силы схлопывается, и обе силы предстают радикально различными.

Загадка массы нейтрино

В первоначальной электрослабой Стандартной модели нейтрино безмассовы — они существуют только в левосторонней форме и взаимодействуют исключительно посредством слабой силы. Но эксперименты по осцилляции нейтрино (SNO, Super-Kamiokande, Нобелевская премия 2015 года) показали: нейтрино переходят между тремя типами (ароматами) — а это возможно, только если они обладают массой.

Эта масса нейтрино не заложена в Стандартной модели. Она указывает на необходимость её расширения — возможно, существуют правосторонние «стерильные» нейтрино, не взаимодействующие со слабой силой, либо действует так называемый механизм качелей (seesaw), объясняющий крайне малые массы нейтрино через существование очень большого нового масштаба масс. Абсолютная масса отдельных нейтрино до сих пор не известна точно: прямые измерения (KATRIN, 2025) устанавливают верхнюю границу в 0,45 эВ/c² для эффективной массы электронного нейтрино, тогда как космологические наблюдения (Planck, DESI) ограничивают сумму масс трёх нейтрино гораздо жёстче — величиной менее примерно 0,07–0,12 эВ/c². Оба значения — верхние границы: то, что массы больше нуля, следует из экспериментов по осцилляции, а не из прямого измерения массы.