Fermi'nin etkileşimi

Parçacık fiziğinde, Fermi'nin etkileşimi (aynı zamanda beta bozunmasının Fermi teorisi veya Fermi dörtlü-fermiyon etkileşimi) beta bozunmasının 1933'te Enrico Fermi tarafından önerilmiş bir açıklamasıdır. Teori, dört fermiyonun (ilişkili Feynman diyagramının bir köşesinde) birbiriyle direkt etkileştiğini varsayar. Bu etkileşim bir nötronun bir elektron, bir nötrino (daha sonra bir antinötrino olduğu belirlendi) ve bir protonla doğrudan bağlanmasıyla bir nötronun beta bozunmasını açıklar.

Fermi bu bağlanmadan ilk olarak 1933'te beta bozunmasının tanımını yaparken bahsetti. Fermi etkileşimi, proton-nötron ve elektron-antiötrino arasındaki etkileşimin, Fermi teorisinin düşük enerjili etkili alan teorisi olduğu sanal bir W⁻ bozonunun aracılık ettiği zayıf etkileşim teorisinin habercisiydi.

Fermi ilk olarak "okuyucunun ilgisini çekemeyecek kadar gerçeklikten uzak spekülasyonlar içerdiği" için reddedilen beta bozunmasının "geçici" teorisini prestijli bir bilim dergisi olan Nature'de yayınladı. Nature daha sonra bu reddi kendi tarihindeki en büyük editör hatalarından biri olduğunu kabul etti. Daha sonra Fermi, revize edilmiş versiyonları İtalyan ve Alman yayıncılara sundu ve yayınlar bunları kabul edip 1933 ve 1934'te bu dillerde yayınladı. Makale, o sırada İngilizce birincil yayında yer almadı. Bu ufuk açıcı makalenin İngilizce çevirisi American Journal of Physics'te 1968 tarihinde yayınlandı.

Fermi fark etti ki makalenin asıl reddini o kadar rahatsız edici buldu ki, teorik fizikten biraz ara vermeye ve sadece deneysel fizik yapmaya karar verdi. Bu, kısa bir süre sonra, yavaş nötronlarla çekirdeklerin aktivasyonu ile ilgili ünlü çalışmasına yol açacaktır.

Teori, doğrudan etkileşim içinde olduğu varsayılan üç tür parçacıkla ilgilenir: başlangıçta () "nötron durumu"ndaki bir “ağır parçacık", daha sonra bir elektron ve bir nötrino emisyonu ile "proton durumu" ()'e geçiş yapar.

Nükleusun Coulomb alanında 'nin durumunda elektron enerjisi ve 'nin o alandaki elektron sayısı olduğu yerde; 'nin durumundaki nötrino sayısı ve 'nin her bir nötrinonun enerjisi olduğu yerde (serbest, düzlem dalga durumunda olduğu varsayılır), yukarıdaki formül ile bulunur.

Etkileşim kısmı, bir elektronun ve bir nötrinonun (şimdi bir antinötrino olarak bilinir) emisyonu ile birlikte bir protonun bir nötrona dönüşümünü temsil eden bir terim ve ayrıca ters işlem için bir terim içermelidir; elektron ve proton arasındaki Coulomb kuvveti, -bozunma süreciyle ilgisiz olduğu için göz ardı edilir.

'nin ve 'nin artık dört bileşenli Dirac spinörlerinin olduğu, 'nin, 'nin Hermitgen eşleniğini temsil ettiği ve 'nin aşağıdaki matris olduğu yerde yukarıdaki formül ile bulunur.

Sistemin durumu, 'in ağır parçacığın nötron mu yoksa proton mu, 'nin ağır parçacığın kuantum durumu, 'nin durumundaki elektron sayısı ve 'nin de durumundaki nötrino sayısı olduğu yerde demeti ile verilir.

burada integral, ağır parçacıkların tüm konfigürasyon uzayını kaplar (hariç ). bu hafif parçacıkların toplam sayısının tek (-) veya çift (+) olmasına göre belirlenir.

Yukarıda da not edildiği gibi, ne zaman ve ağır parçacık durumları arasındaki iç çarpımı kaybolursa, ilgili geçiş "yasak" olur (veya, daha doğrusu, 1'e yakın olduğu durumlardan çok daha az olasıdır).

Çekirdeğin, protonların ve nötronların bireysel kuantum durumları açısından tanımlanması iyiyse, nötron durumu ve proton durumu aynı değerde açısal mometuma sahip olmadıkça yok olur; aksi durumda, tüm çekirdeğin bozunumdan önceki ve sonraki açısal momentumu kullanılmalıdır.

Kısa bir süre sonra Fermi'nin makalesi yayımlandı, Werner Heisenberg'ün Wolfgang Pauli'ye yazdığı bir mektupta, çekirdekteki nötrinoların ve elektronların yayımlanması ve soğurulmasının, karışıklık teorisinin ikinci mertebesinde, protonlar ve nötronlar arasında, emisyonun nasıl olduğuna benzer şekilde, bir çekime yol açması gerektiğini ve fotonların absorpsiyonu elektromanyetik kuvvete yol açtığını kaydetti. Kuvvetin formunda olması gerektiğini fark etti, ancak çağdaş deneysel veriler, bir milyon kat çok küçük bir değere yol açtı.

Aynı yılda, Hideki Yukawa bu fikre kapıldı, ancak onun teorisinde nötrinolar ve elektronlar, durağan kütlesi elektrondan yaklaşık 200 kat daha ağır olan varsayımsal yeni bir parçacık ile değiştirildi.

Fermi'nin dörtlü-fermiyon teorisi, zayıf etkileşimi oldukça iyi bir şekilde açıklar. Maalesef, hesaplanan kesit veya etkileşimin olasılığı, enerjisinin karesi olarak büyür. Bu kesit sınırsız büyüdüğü için teori, yaklaşık 100 GeV'den çok daha yüksek enerjilerde geçerli değildir. Etkileşimin gücünü belirten bir Fermi sabiti vardır. Bu, sonunda dört fermiyon temas etkileşiminin daha eksiksiz bir teoriyle (UV tamamlama) değiştirilmesine yol açtı —elektrozayıf teoride açıklandığı gibi bir W veya Z bozonunun değişimi.

Etkileşim ayrıca müon bozunmasını, etkileşimin aynı temel gücüne sahip bir müon, elektron-antinötrino, müon-nötrino ve elektronun birleşmesi yoluyla da açıklayabilir. Bu hipotez Gershtein ve Zeldovich tarafından öne sürüldü ve Vektör akımının korunması hipotezi olarak da bilinir.

Orijinal teoride Fermi, etkileşimin biçiminin iki vektör akımının temas kuplajı olduğunu varsaydı. Daha sonrasında, Lee ve Yang tarafından eksenel, pariteyi ihlal eden bir akımın ortaya çıkmasını hiçbir şeyin engellemediğine dikkat çekildi ve bu, Chien-Shiung Wu tarafından yürütülen deneylerle doğrulandı.