Существует ли поле слабых взаимодействий?

Внимательный читатель мог обратить внимание на глубокое отличие трактовки слабых взаимодействий от всех остальных. (Остановитесь и подумайте, если этого пока не заметили, в чем же состоит различие?) Электромагнитные взаимодействия осуществляются посредством электромагнитного поля. Кванты этого поля — фотоны — являются переносчиками взаимодействия, л-мезоны — переносчики ядерного взаимодействия. А о переносчиках слабого взаимодействия или, что то же самое, о поле слабых взаимодействий не было сказано ни слова. Подразумевалось, что все четыре фермиона взаимодействуют локально, в одной точке, без всяких посредников. При этом никакого поля слабых взаимодействий, подобного электромагнитному, не существует. Не существует и квантов слабого взаимодействия.

Но так ли это в действительности? Откуда такая исключительность слабых взаимодействий?

Более привлекательна идея о том, что есть поле слабых взаимодействий и в этом отношении слабые взаимодействия не отличаются от всех остальных. Соответственно существуют и кванты этого поля, условно пока названные промежуточными бозонами.

Гипотеза об их существовании хорошо согласуется с представлением об универсальном четырех-фермионном взаимодействии. Взаимодействия между двумя парами фермионов осуществляются посредством обмена квантами поля слабых взаимодействий, подобно тому как при электромагнитных взаимодействиях частицы обмениваются фотонами.

Промежуточные бозоны, как вытекает из законов сохранения, должны иметь электрический заряд (положительный или отрицательный) и спин, равный постоянной Планка ћ. В силу последнего обстоятельства они, как и любые частицы с целыми спинами, называются бозонами (в отличие от фермионов — элементарных частиц с полуцелым спином).

О массе промежуточного бозона можно только догадываться. Вероятно, она велика и превышает массу К-мезона. Иначе К-мезон распадался бы на промежуточный бозон и γ-квант, чего в действительности не наблюдается. Большой массе переносчика взаимодействия согласно квантовой теории соответствует малый радиус действия. По существующим оценкам он не превышает 10-14 см. Это на два порядка меньше радиуса действия короткодействующих ядерных сил.

При тех энергиях, которые сейчас можно получить на ускорителях, не удается установить, существует ли промежуточный бозон или же слабое взаимодействие является локальным. По выражению Л. Б. Окуня, бозон как жесткая пружина связывает между собой пары частиц. Если энергия, передаваемая пружине при столкновениях, мала по сравнению с ее жесткостью, пружина выступает как твердое тело (этому соответствует локальное взаимодействие, когда существование промежуточного бозона не сказывается). Если энергия велика, то пружина деформируется и это можно обнаружить экспериментально.

Промежуточный бозон не может быть стабильным. За время порядка 10-17 сек он должен распадаться. Это время столь мало, что заметить бозон в камере Вильсона невозможно. Слишком коротким будет трек. Но о его существовании можно судить по продуктам распада. Он может распадаться на -мезон и нейтрино, электрон и нейтрино или на несколько μ-мезонов.

Рождаться промежуточные бозоны могут в поле ядра при рассеянии нейтрино больших энергий. Правда, вероятность таких процессов очень мала. Нужны очень большие энергии и плотности пучков нейтрино, которые современные ускорители не могут обеспечить. Промежуточные бозоны пока не обнаружены. Значительных успехов физики ожидают от тех мощных ускорителей, которые сооружаются в настоящее время в разных странах.

Можно только удивляться, как много мы уже знаем о свойствах этой частицы. Правда, самого главного мы не знаем: существует ли она вообще.