Tương tác yếu

Trong vật lý hạt, tương tác yếu là cơ chế chịu trách nhiệm cho lực yếu hay lực hạt nhân yếu, một trong bốn tương tác cơ bản đã biết trong tự nhiên, cùng với tương tác mạnh, tương tác điện từ, và tương tác hấp dẫn. Tương tác yếu gây ra phân rã phóng xạ ở cả hạt hạ nguyên tử và phản ứng phân hạch. Lý thuyết tương tác yếu đôi khi được gọi là vị động lực học lượng tử (QFD), tương tự với lý thuyết QCD và QED, nhưng tên gọi này ít khi được sử dụng bởi vì lực yếu được hiểu tốt nhất trong lý thuyết điện yếu (EWT).
Trong Mô hình chuẩn của vật lý hạt, các nhà vật lý hạt miêu tả tương tác yếu thông qua sự hấp thụ hay phát ra các boson W và Z. Mọi fermion đã biết đều tham gia vào tương tác yếu. Fermion là các hạt có spin bán nguyên (spin là một trong những tính chất cơ bản của hạt). Hạt fermion có thể là một hạt cơ bản, như electron, hoặc nó có thể là hạt tổ hợp, như proton chẳng hạn. Khối lượng của các boson W⁺, W⁻, và Z lớn hơn rất nhiều so với của proton hay neutron, và cũng là nguyên nhân khiến cho tầm tương tác của lực yếu là ngắn. Nó được gọi là yếu bởi vì cường độ trường của nó trên một khoảng cách cho trước nhỏ hơn vài bậc độ lớn so với lực hạt nhân mạnh và lực điện từ.
Trong giai đoạn của kỷ nguyên quark, lực điện yếu tách thành hai lực điện từ và lực yếu. Hầu hết các fermion theo thời gian sẽ phân rã bởi tương tác yếu. Một ví dụ quan trọng đó là phân rã beta, và sự sản sinh của deuteri và heli từ hiđrô của phản ứng nhiệt hạt nhân trong lòng các sao như Mặt Trời. Những phân rã này cũng cho phép định tuổi bằng cacbon phóng xạ, như cacbon-14 phân rã thông qua tương tác yếu thành nitơ-14. Nó cũng tạo ra hiện tượng phát quang do phóng xạ (radioluminescence), thường sử dụng trong chiếu sáng bằng triti, và liên quan tới lĩnh vực chế tạo pin sử dụng phân rã beta (betavoltaics).
Các hạt quark, mà cấu thành lên các hạt tổ hợp như neutron và proton, được xếp thành sáu "vị" (hương) – lên, xuống, lạ, duyên, đỉnh và đáy – và tổ hợp giữa các hạt hình thành lên tính chất của hạt tổ hợp. Tương tác yếu là duy nhất trong trường hợp nó cho phép hoán đổi giữa các vị quark thành vị khác. Ví dụ, trong quá trình phân rã beta trừ, một quark xuống phân rã thành một quark lên, biến đổi một neutron thành một proton. Tương tác yếu cũng là tương tác cơ bản duy nhất phá vỡ tính đối xứng chẵn lẻ, và tương tự nó là tương tác duy nhất thể hiện tính phá vỡ đối xứng CP.

Lịch sử

Năm 1933, Enrico Fermi lần đầu tiên nêu ra lý thuyết đề cập đến tương tác yếu, gọi là tương tác Fermi. Ông đề xuất rằng phân rã beta có thể giải thích bằng sự tương tác giữa bốn fermion, bao gồm một lực tiếp xúc mà không có phạm vi tác dụng.
Tuy nhiên, hóa ra nó sẽ tốt hơn khi miêu tả một lực không tiếp xúc nhưng có phạm vi tác dụng ngắn hữu hạn, hay tầm tác dụng ngắn. Năm 1968, Sheldon Glashow, Abdus Salam và Steven Weinberg đã thống nhất lực điện từ và tương tác yếu lại khi họ chỉ ra hai lực này chỉ là các khía cạnh của cùng một lực, mà ngày nay gọi là lực điện-yếu.
Sự tồn tại của các boson W và Z tiên đoán từ lý thuyết điện yếu không được phát hiện cho tới tận năm 1983.

Các kiểu tương tác

Có hai kiểu tương tác yếu (hay các vertex). Kiểu thứ nhất là "tương tác dòng điện tích" bởi vì nó được truyền bởi các hạt mang điện tích (các boson W⁺ hay W⁻), và chịu trách nhiệm cho phân rã beta. Kiểu thứ hai là "tương tác dòng trung hòa" bởi vì nó được truyền bởi một hạt trung hòa điện tích, boson Z.

Vi phạm tính đối xứng

Các định luật tự nhiên từ lâu được cho là không thay đổi dưới phép phản xạ qua gương, hay sự đảo chiều của một trục không gian. Kết quả thí nghiệm thông qua biến đối gương này được hy vọng là giống hệt với kết quả của một thí nghiệm với thiết bị cũng được biến đổi qua đối xứng gương. Các nhà vật lý gọi đây là định luật bảo toàn tính chẵn lẻ và định luật này áp dụng đúng cho các tương tác hấp dẫn, tương tác điện từ và tương tác mạnh; họ cũng giả thiết rằng đây là định luật phổ quát. Tuy vậy, vào giữa thập niên 1950, hai nhà vật lý Dương Chấn Ninh và Lý Chính Đạo đề xuất ý tưởng có thể tương tác yếu không tuân theo định luật này. Biết tới ý tưởng này, Ngô Kiện Hùng và cộng sự vào năm 1957 đã thiết lập một thí nghiệm quan sát sự phân rã beta của Co-60 và họ phát hiện ra sự vi phạm tính đối xứng chẵn lẻ của tương tác yếu, điều này đưa Lý và Dương nhận giải Nobel Vật lý năm 1957 và Ngô nhận giải Wolf Vật lý năm 1978.
Lúc ban đầu, tương tác yếu thường được miêu tả bằng lý thuyết Fermi, sự phát hiện ra tính vi phạm đối xứng chẵn lẻ và lý thuyết tái chuẩn hóa ra đời cho thấy cần phải có một cách tiếp cận mới. Năm 1957, Robert Marshak và George Sudarshan và một số người khác về sau, bao gồm Richard Feynman và Murray Gell-Mann đề xuất hàm Lagrangian V−A (vectơ trừ vectơ trục hay định hướng trái) cho tương tác yếu. Trong lý thuyết này, tương tác yếu chỉ tác dụng lên các hạt định hướng trái (và các phản hạt định hướng phải). Do các hạt định hướng trái qua đối xứng gương trở thành các hạt định hướng phải, điều này giải thích tính vi phạm đối xứng chẵn lẻ một cách tối đa. Lý thuyết V−A được phát triển trước khi phát hiện ra boson Z, vì thế lý thuyết này không bao gồm các trường định hướng phải mà xuất hiện cùng với tương tác dòng trung hòa.
Tuy nhiên, lý thuyết V-A suy đoán tồn tại một tổ hợp đối xứng CP được phép bảo toàn. Đối xứng CP là sự kết hợp của đối xứng chẵn lẻ P (biến đổi trái thành phải) với liên hợp điện tích C (biến đổi hạt thành phản hạt). Một lần nữa các nhà vật lý lại nghe thấy một điều ngạc nhiên khác, khi vào năm 1964, James Cronin và Val Fitch đưa ra kết quả thực nghiệm rõ ràng khi hạt kaon phân rã không tuân theo đối xứng CP. Hai người nhận giải Nobel Vật lý năm 1980 nhờ phát hiện này. Năm 1973, Kobayashi Makoto và Maskawa Toshihide chứng tỏ sự vi phạm đối xứng CP trong tương tác yếu đòi hỏi nhiều hơn hai thế hệ hạt cơ bản, dẫn tới tiên đoán sự tồn tại của một thế hệ hạt thứ ba chưa được biết tới. Khám phá này đưa hai người nhận giải Nobel Vật lý năm 2008 cùng với Nambu Yochiro. Không như sự vi phạm tính đối xứng chẵn lẻ, vi phạm CP chỉ xảy ra ở một số nhỏ phản ứng tương tác yếu, nhưng phần lớn các nhà vật lý tin rằng vi phạm này là câu trả lời cho sự sai khác giữa lượng vật chất và phản vật chất tồn tại trong vũ trụ; nó là một trong ba điều kiện nêu ra bởi Andrei Sakharov trong kỷ nguyên baryon.