Słaba siła jest jedną z czterech podstawowych sił, które rządzą całą materią we wszechświecie. Pozostałe trzy to grawitacja, elektromagnetyzm i siła silna. Podczas gdy inne siły trzymają rzeczy razem, słaba siła odgrywa dużą rolę w ich rozbijaniu.
Słaba siła jest silniejsza niż grawitacja, ale jest skuteczna tylko na bardzo małych odległościach. Moc działa na poziomie subatomowym i odgrywa kluczową rolę w dostarczaniu energii gwiazdom i tworzeniu elementów. Odpowiada również za większość naturalnego promieniowania we wszechświecie.
Teoria Fermiego
Włoski fizyk Enrico Fermi opracował w 1933 teorię wyjaśniającą rozpad beta, proces przekształcania neutronu w proton i wyrzucania elektronu, często określany w tym kontekście jako cząstka beta. Zidentyfikował nowy rodzaj siły, tak zwane oddziaływanie słabe, odpowiedzialne za rozpad, podstawowy proces przemiany neutronu w proton, neutrino i elektron, który później został zidentyfikowany jako antyneutrino.
Fermi pierwotniezałożono, że odległość i przyczepność są zerowe. Dwie cząstki musiały być w kontakcie, aby siła zadziałała. Od tego czasu ujawniono, że słabe oddziaływanie jest w rzeczywistości siłą przyciągającą, która objawia się na bardzo krótkiej odległości, równej 0,1% średnicy protonu.
Siła elektrosłaba
W rozpadach promieniotwórczych siła słaba jest około 100 000 razy mniejsza niż siła elektromagnetyczna. Jednak obecnie wiadomo, że jest samoistnie równy elektromagnetycznej, a te dwa pozornie odrębne zjawiska uważa się za przejawy pojedynczej siły elektrosłabej. Potwierdza to fakt, że łączą się przy energiach większych niż 100 GeV.
Czasami mówią, że słabe oddziaływanie przejawia się w rozpadzie cząsteczek. Jednak siły międzycząsteczkowe mają charakter elektrostatyczny. Zostały odkryte przez van der Waalsa i noszą jego imię.
Model standardowy
Słabe oddziaływanie w fizyce jest częścią standardowego modelu - teorii cząstek elementarnych, która opisuje fundamentalną strukturę materii za pomocą zestawu eleganckich równań. Zgodnie z tym modelem cząstki elementarne, czyli takie, których nie można podzielić na mniejsze części, są budulcem wszechświata.
Jedną z tych cząstek jest kwark. Naukowcy nie zakładają istnienia niczego mniej, ale wciąż szukają. Istnieje 6 rodzajów lub odmian kwarków. Uporządkujmy jeprzyrost masy:
- top;
- niższy;
- dziwne;
- zaczarowany;
- urocza;
- prawda.
W różnych kombinacjach tworzą wiele różnych rodzajów cząstek subatomowych. Na przykład protony i neutrony – duże cząstki jądra atomowego – składają się z trzech kwarków. Dwie górne i dolne tworzą proton. Górny i dwa dolne tworzą neutron. Zmiana rodzaju kwarku może zmienić proton w neutron, a tym samym zamienić jeden pierwiastek w inny.
Innym rodzajem cząstek elementarnych jest bozon. Cząstki te są nośnikami interakcji, które składają się z wiązek energii. Fotony to jeden rodzaj bozonów, a gluony to inny. Każda z tych czterech sił jest wynikiem wymiany nośników interakcji. Oddziaływanie silne jest realizowane przez gluon, a oddziaływanie elektromagnetyczne przez foton. Grawiton jest teoretycznie nośnikiem grawitacji, ale nie został znaleziony.
Bozony W i Z
Słaba interakcja jest przenoszona przez bozony W i Z. Cząstki te zostały przewidziane przez laureatów Nagrody Nobla Stevena Weinberga, Sheldona Salama i Abdusa Gleshowa w latach 60. XX wieku i odkryte w 1983 r. w Europejskiej Organizacji Badań Jądrowych CERN.
Bozony W są naładowane elektrycznie i są oznaczone symbolami W+ (naładowane dodatnio) i W- (naładowane ujemnie). Bozon W zmienia skład cząstek. Emitując naładowany elektrycznie bozon W, słabe oddziaływanie zmienia rodzaj kwarku, tworząc protonna neutron lub odwrotnie. To właśnie powoduje syntezę jądrową i spalanie gwiazd.
Ta reakcja tworzy cięższe pierwiastki, które są ostatecznie wyrzucane w kosmos przez wybuchy supernowych, aby stać się budulcem planet, roślin, ludzi i wszystkiego innego na Ziemi.
Prąd neutralny
Bozon Z jest neutralny i przenosi słaby prąd neutralny. Jego interakcja z cząsteczkami jest trudna do wykrycia. Eksperymentalne poszukiwania bozonów W i Z w latach 60. doprowadziły naukowców do teorii, która łączy siły elektromagnetyczne i słabe w jeden „elektrosłabienie”. Jednak teoria wymagała, aby cząstki nośnika były nieważkie, a naukowcy wiedzieli, że teoretycznie bozon W musiałby być ciężki, aby wyjaśnić jego krótki zasięg. Teoretycy przypisują masę W niewidzialnemu mechanizmowi zwanemu mechanizmem Higgsa, który zapewnia istnienie bozonu Higgsa.
W 2012 roku CERN poinformował, że naukowcy używający największego na świecie akceleratora, Wielkiego Zderzacza Hadronów, zaobserwowali nową cząstkę „odpowiadającą bozonowi Higgsa”.
Rozpad beta
Słabe oddziaływanie przejawia się w rozpadzie β - procesie, w którym proton zamienia się w neutron i odwrotnie. Występuje, gdy w jądrze zawierającym zbyt wiele neutronów lub protonów jeden z nich zamienia się w inny.
Rozpad beta może wystąpić na dwa sposoby:
- Rozpad minus beta, czasami pisany jakoβ− -rozpad, neutron dzieli się na proton, antyneutrino i elektron.
- Słabe oddziaływanie objawia się rozpadem jąder atomowych, czasami zapisywanym jako β+-rozpad, gdy proton rozdziela się na neutron, neutrino i pozyton.
Jeden z pierwiastków może zamienić się w inny, gdy jeden z jego neutronów spontanicznie zamieni się w proton w wyniku rozpadu minus beta lub gdy jeden z jego protonów spontanicznie zamieni się w neutron w wyniku β+-rozpad.
Podwójny rozpad beta występuje, gdy 2 protony w jądrze są jednocześnie przekształcane w 2 neutrony lub odwrotnie, co skutkuje emisją 2 antyneutrin elektronowych i 2 cząstek beta. W hipotetycznym, bezneutrinowym, podwójnym rozpadzie beta, neutrina nie są wytwarzane.
Przechwytywanie elektroniczne
Proton może zamienić się w neutron w procesie zwanym wychwytywaniem elektronów lub wychwytywaniem K. Gdy w jądrze znajduje się nadmiar protonów w stosunku do liczby neutronów, elektron z reguły z wewnętrznej powłoki elektronowej wydaje się wpadać do jądra. Elektron orbitalu jest wychwytywany przez jądro macierzyste, którego produktami są jądro potomne i neutrino. Liczba atomowa powstałego jądra potomnego zmniejsza się o 1, ale całkowita liczba protonów i neutronów pozostaje taka sama.
Reakcja fuzji
Słaba siła bierze udział w syntezie jądrowej, reakcji, która zasila słońce i bomby termojądrowe (wodorowe).
Pierwszym etapem syntezy wodoru jest zderzenie dwóchprotony z siłą wystarczającą do pokonania wzajemnego odpychania, którego doświadczają z powodu ich oddziaływania elektromagnetycznego.
Jeśli obie cząstki są umieszczone blisko siebie, silne oddziaływanie może je związać. Tworzy to niestabilną formę helu (2He), która ma jądro z dwoma protonami, w przeciwieństwie do formy stabilnej (4He), który ma dwa neutrony i dwa protony.
Następnym krokiem jest słaba interakcja. Z powodu nadmiaru protonów jeden z nich ulega rozpadowi beta. Następnie inne reakcje, w tym formowanie pośrednie i fuzja 3He, ostatecznie tworzą stabilny 4He.
