Strona głównaPytania → Czy cząstki oddziałujące słabo się...

Czy cząstki oddziałujące słabo się odpychają lub przyciągają?

Pytanie

Pyta Jerzy

Moje pytanie dotyczy oddziaływania słabego, z tego co wiem to działa pomiędzy fermionami. Ale skąd wiedzieć, czy będzie ono przyciągało do siebie czy odpychało cząstki? Czy ono w ogóle przyciąga czy tylko zmienia zapach? Wiem, że to oddziaływanie nie ma dużego znaczenia, ale ciekawi mnie sama zasada jego działania, bo chyba najmniej się o nim mówi.

Odpowiedź

Odpowiada Mikołaj Misiak

W oddziaływaniach elektromagnetycznych pośredniczą bezmasowe fotony, a w oddziaływaniach słabych – masywne naładowane bozony $W$ oraz masywne neutralne bozony $Z$. Bozony $W$ i $Z$ mają masy tego samego rzędu, prawie 100 razy większe od protonu. W poniższych rozważaniach $M$ oznacza masę któregokolwiek z tych bozonów.

Rozważmy zderzenie dwóch elektronów. Jeśli w układzie środka masy ich sumaryczna energia jest znacznie mniejsza od $Mc^2$, to oddziaływania słabe są znacznie słabsze od elektromagnetycznych. Jeśli ta energia jest znacznie większa od $Mc^2$, to oddziaływania słabe mają podobną siłę jak elektromagnetyczne.

W oddziaływaniach elektromagnetycznych dwa elektrony odpychają się, dwa pozytony też odpychają się, a elektron i pozyton przyciągają się. W oddziaływaniach przez bozony $Z$ jest dokładnie tak samo. W ogólności, dwie identyczne cząstki oddziałujące za pośrednictwem bozonów $Z$ będą zawsze się odpychały, a cząstka i antycząstka będą się przyciągały.

W przypadku cząstek różnego rodzaju oddziaływania elektromagnetyczne czasem prowadzą do przyciągania a czasem do odpychania. Na przykład elektrony będą elektromagnetycznie przyciągane przez kwarki górne, a odpychane przez kwarki dolne. W oddziaływaniach przez bozon $Z$ też będzie różnie. Na przykład neutrina (o ładunku elektrycznym równym zero) będą za pośrednictwem bozonów $Z$ przyciągane przez lewoskrętne kwarki dolne, a odpychane przez prawoskrętne kwarki dolne.

Powyższe rozważania są czysto teoretyczne. W praktyce nie mierzymy przyciągania lub odpychania, lecz różniczkowe przekroje czynne w zderzeniach cząstek (np. elektronów z pozytonami), i na tej podstawie testujemy naszą wiedzę o bozonach $W$ i $Z$. W przypadku bozonów $W$ każde oddziaływanie z fermionem zmienia zapach (czyli też masę fermionu), a zatem trudno jest nawet czysto teoretycznie dywagować na temat przyciągania lub odpychania.

Ostatnia uwaga: oddziaływania słabe działają nie tylko między fermionami. Bozony $W$ i $Z$ oddziałują również z bozonami Higgsa, a także same ze sobą.