Τι είναι η ασθενής αλληλεπίδραση στη φυσική;

Η ασθενής αλληλεπίδραση είναι μία από τις τέσσεριςθεμελιώδεις δυνάμεις που διέπουν όλη την ύλη στο σύμπαν. Τα άλλα τρία είναι βαρύτητα, ηλεκτρομαγνητισμός και ισχυρή αλληλεπίδραση. Ενώ άλλες δυνάμεις κρατούν τα πράγματα μαζί, η αδύναμη δύναμη παίζει μεγάλο ρόλο στην καταστροφή τους.

Η ασθενής αλληλεπίδραση είναι ισχυρότερη από τη βαρύτητα, αλλά αυτόαποτελεσματική μόνο σε πολύ μικρές αποστάσεις. Η δύναμη δρα στο υποατομικό επίπεδο και παίζει καθοριστικό ρόλο στην παροχή στα άστρα ενέργειας και δημιουργίας στοιχείων. Είναι επίσης υπεύθυνη για το μεγαλύτερο μέρος της φυσικής ακτινοβολίας στο σύμπαν.

Θεωρία Fermi

Ο Ιταλός φυσικός Enrico Fermi το 1933ανέπτυξε μια θεωρία για να εξηγήσει τη διάσπαση βήτα - τη διαδικασία μετατροπής ενός νετρονίου σε ένα πρωτόνιο και μετατόπιση ενός ηλεκτρονίου, η οποία συχνά αναφέρεται σε αυτό το πλαίσιο ως ένα σωματίδιο βήτα. Προσδιόρισε έναν νέο τύπο δύναμης, τη λεγόμενη αδύναμη αλληλεπίδραση, η οποία ήταν υπεύθυνη για την αποσύνθεση, τη θεμελιώδη διαδικασία μετατροπής ενός νετρονίου σε πρωτόνιο, νετρίνο και ηλεκτρόνιο, το οποίο αργότερα ορίστηκε ως αντινετρίνο.

Ο Φέρμι αρχικά υπέθεσε ότι υπάρχειμηδενική απόσταση και λαβή. Τα δύο σωματίδια έπρεπε να έρθουν σε επαφή για να λειτουργήσει η δύναμη. Από τότε, έχει αποκαλυφθεί ότι η αδύναμη αλληλεπίδραση είναι στην πραγματικότητα η δύναμη έλξης, η οποία εκδηλώνεται σε εξαιρετικά μικρή απόσταση ίση με 0,1% της διαμέτρου ενός πρωτονίου.

Δύναμη Electroweak

Αδύναμη αντοχή σε ραδιενεργές αποσυνθέσειςπερίπου 100.000 φορές λιγότερο από το ηλεκτρομαγνητικό. Ωστόσο, είναι πλέον γνωστό ότι είναι εσωτερικά ίσο με την ηλεκτρομαγνητική δύναμη, και αυτά τα δύο φαινομενικά διακριτά φαινόμενα πιστεύεται ότι είναι εκδηλώσεις μιας μόνο δύναμης ηλεκτροπληξίας. Αυτό επιβεβαιώνεται από το γεγονός ότι συνδυάζονται σε ενέργειες άνω των 100 GeV.

Μερικές φορές λέγεται ότι η ασθενής αλληλεπίδραση εκδηλώνεται στην αποσύνθεση των μορίων. Ωστόσο, οι διαμοριακές δυνάμεις είναι ηλεκτροστατικής φύσης. Ανακαλύφθηκαν από τον Van der Waals και φέρουν το όνομά του.

Πρότυπο μοντέλο

Οι αδύναμες αλληλεπιδράσεις στη φυσική αποτελούν μέρος τουτο πρότυπο μοντέλο, τη θεωρία των στοιχειωδών σωματιδίων, η οποία περιγράφει τη θεμελιώδη δομή της ύλης χρησιμοποιώντας ένα σύνολο κομψών εξισώσεων. Σύμφωνα με αυτό το μοντέλο, τα στοιχειώδη σωματίδια, δηλαδή αυτά που δεν μπορούν να χωριστούν σε μικρότερα μέρη, είναι τα δομικά στοιχεία του σύμπαντος.

Ένα από αυτά τα σωματίδια είναι ένα κουάρκ. Οι επιστήμονες δεν υποθέτουν ότι υπάρχει κάτι λιγότερο, αλλά ψάχνουν ούτως ή άλλως. Υπάρχουν 6 τύποι ή ποικιλίες κουάρκ. Ας τα τακτοποιήσουμε με αύξουσα σειρά μάζας:

• ανώτερος;
• πιο χαμηλα;
• παράξενος;
• γοητευμένος
• ωραία
• αληθής.

Σε διάφορους συνδυασμούς, σχηματίζουν ένα σετδιάφορα είδη υποατομικών σωματιδίων. Έτσι, για παράδειγμα, τα πρωτόνια και τα νετρόνια - μεγάλα σωματίδια ενός ατομικού πυρήνα - αποτελούνται από τρία κουάρκ το καθένα. Τα δύο άνω και κάτω αποτελούν ένα πρωτόνιο. Τα άνω και τα δύο κάτω σχηματίζουν ένα νετρόνιο. Η αλλαγή του είδους του κουάρκ μπορεί να αλλάξει ένα πρωτόνιο σε ένα νετρόνιο, μετατρέποντας έτσι ένα στοιχείο σε άλλο.

Ένας άλλος τύπος στοιχειωδών σωματιδίων είναι το μποζόνιο.Αυτά τα σωματίδια είναι φορείς αλληλεπίδρασης, που αποτελούνται από δέσμες ενέργειας. Τα φωτόνια είναι ένας τύπος μποζονίου, οι γλουόνια είναι άλλοι. Κάθε μία από αυτές τις τέσσερις δυνάμεις είναι το αποτέλεσμα της ανταλλαγής φορέων αλληλεπίδρασης. Μια ισχυρή αλληλεπίδραση πραγματοποιείται από ένα γλουόνιο και ένα ηλεκτρομαγνητικό - από ένα φωτόνιο. Το Graviton είναι θεωρητικά ένας φορέας βαρύτητας, αλλά δεν έχει βρεθεί.

W και Z μποζόνια

Η αδύναμη αλληλεπίδραση πραγματοποιείται από τα μποζόνια W και Z.Αυτά τα σωματίδια είχαν προβλεφθεί από τους νικητές του βραβείου Νόμπελ Steven Weinberg, Sheldon Salam και Abdus Gleshaw στη δεκαετία του '60 του περασμένου αιώνα, και ανακαλύφθηκαν το 1983 στον Ευρωπαϊκό Οργανισμό Πυρηνικής Έρευνας CERN.

Τα μποζόνια W φορτίζονται ηλεκτρικά και επισημαίνονται με τα σύμβολα W⁺ (θετικά φορτισμένο) και W^- (αρνητικά φορτισμένο).Το W μποζόνιο αλλάζει τη σύνθεση των σωματιδίων. Εκπέμποντας ένα ηλεκτρικά φορτισμένο μποζόνιο, η ασθενής δύναμη αλλάζει το είδος του κουάρκ, μετατρέποντας ένα πρωτόνιο σε ένα νετρόνιο ή το αντίστροφο. Αυτό προκαλεί πυρηνική σύντηξη και κάνει τα άστρα να καίγονται

Αυτή η αντίδραση δημιουργεί βαρύτερα στοιχεία,οι οποίες τελικά ρίχνονται στο διάστημα από εκρήξεις σουπερνόβα για να γίνουν τα δομικά στοιχεία πλανητών, φυτών, ανθρώπων και οτιδήποτε άλλο στη Γη.

Ουδέτερο ρεύμα

Το Z-μποζόνιο είναι ουδέτερο και φέρει ένα αδύναμο ουδέτερο ρεύμα.Είναι δύσκολο να εντοπιστεί η αλληλεπίδρασή του με σωματίδια. Οι πειραματικές αναζητήσεις για τα μποζόνια W και Z στη δεκαετία του 1960 οδήγησαν τους επιστήμονες σε μια θεωρία που συνδυάζει τις ηλεκτρομαγνητικές και τις αδύναμες δυνάμεις σε μια ενιαία δύναμη «electoweak». Ωστόσο, η θεωρία απαιτούσε τα σωματίδια φορέα να είναι χωρίς βάρος, και οι επιστήμονες γνώριζαν ότι θεωρητικά το W-μποζόνιο πρέπει να είναι βαρύ για να εξηγήσει το μικρό εύρος του. Οι θεωρητικοί απέδωσαν τη μάζα W σε έναν αόρατο μηχανισμό που ονομάζεται μηχανισμός Higgs, ο οποίος περιλαμβάνει την ύπαρξη του μποζονίου Higgs.

Το 2012, το CERN ανέφερε ότι επιστήμονες που χρησιμοποιούν τον μεγαλύτερο επιταχυντή στον κόσμο, το Large Hadron Collider, είχαν παρατηρήσει ένα νέο σωματίδιο "που αντιστοιχεί στο μποζόνιο Higgs."

Beta αποσύνθεση

Η αδύναμη αλληλεπίδραση εκδηλώνεται σε β-διάσπαση -μια διαδικασία στην οποία ένα πρωτόνιο μετατρέπεται σε νετρόνιο και το αντίστροφο. Εμφανίζεται όταν, σε έναν πυρήνα με πάρα πολλά νετρόνια ή πρωτόνια, ένα από αυτά μετατρέπεται σε άλλο.

Η αποσύνθεση beta μπορεί να γίνει με έναν από τους δύο τρόπους:

1. Με μείον βήτα διάσπαση, μερικές φορές γραμμένο ως β^- -η μέρα, το νετρόνιο χωρίζεται σε πρωτόνιο, αντινετρίνο και ηλεκτρόνιο.
2. Η αδύναμη αλληλεπίδραση εκδηλώνεται στην αποσύνθεση των ατομικών πυρήνων, μερικές φορές γράφεται ως β⁺-η μέρα, όταν ένα πρωτόνιο χωρίζεται σε νετρόνιο, νετρίνο και ποζιτρόνιο.

Ένα από τα στοιχεία μπορεί να μετατραπεί σε άλλο,όταν ένα από τα νετρόνια του μετατρέπεται αυθόρμητα σε πρωτόνιο μέσω μείωσης βήτα διάσπασης, ή όταν ένα από τα πρωτόνια του μετατρέπεται αυθόρμητα σε νετρόνιο μέσω β⁺-φθορά.

Διπλή αποσύνθεση βήτα συμβαίνει όταν υπάρχουν 2Τα πρωτόνια μετατρέπονται ταυτόχρονα σε 2 νετρόνια ή το αντίστροφο, ως αποτέλεσμα των οποίων εκπέμπονται 2 ηλεκτρόνια-αντινετρίνο και 2 βήτα-σωματίδια. Σε μια υποθετική διπλή διάσπαση ουδετερόληλων, τα νετρίνα δεν παράγονται.

Ηλεκτρονική λήψη

Ένα πρωτόνιο μπορεί να μετατραπεί σε νετρόνιο έωςμια διαδικασία που ονομάζεται σύλληψη ηλεκτρονίων ή σύλληψη Κ. Όταν υπάρχει περίσσεια πρωτονίων στον πυρήνα σε σχέση με τον αριθμό των νετρονίων, το ηλεκτρόνιο, κατά κανόνα, από το εσωτερικό κέλυφος ηλεκτρονίων φαίνεται να πέφτει στον πυρήνα. Το ηλεκτρόνιο του τροχιακού συλλαμβάνεται από τον γονικό πυρήνα, τα προϊόντα του οποίου είναι ο θυγατρικός πυρήνας και τα νετρίνα. Ο ατομικός αριθμός του προκύπτοντος πυρήνα της κόρης μειώνεται κατά 1, αλλά ο συνολικός αριθμός των πρωτονίων και των νετρονίων παραμένει ο ίδιος.

Θερμοπυρηνική αντίδραση

Η αδύναμη αλληλεπίδραση συμμετέχει στην πυρηνική σύντηξη - μια αντίδραση που παρέχει ενέργεια στον ήλιο και τις θερμοπυρηνικές βόμβες (υδρογόνο).

Το πρώτο βήμα στη σύντηξη υδρογόνου είναι η σύγκρουση δύο πρωτονίων με αρκετή δύναμη για να ξεπεραστεί η αμοιβαία απώθηση που βιώνουν λόγω της ηλεκτρομαγνητικής τους αλληλεπίδρασης.

Εάν και τα δύο σωματίδια τοποθετηθούν το ένα κοντά στο άλλο, οι ισχυρές αλληλεπιδράσεις μπορούν να τα συνδέσουν μεταξύ τους. Αυτό δημιουργεί μια ασταθή μορφή ηλίου (²Αυτός), ο οποίος έχει έναν πυρήνα με δύο πρωτόνια, σε αντίθεση με τη σταθερή μορφή (⁴Όχι), το οποίο έχει δύο νετρόνια και δύο πρωτόνια.

Στο επόμενο βήμα, η αδύναμη αλληλεπίδραση μπαίνει στο παιχνίδι. Λόγω της υπεραφθονίας των πρωτονίων, ένα από αυτά υφίσταται τερηδόνα. Στη συνέχεια, άλλες αντιδράσεις, συμπεριλαμβανομένου του ενδιάμεσου σχηματισμού και της σύντηξης ³Δεν θα σχηματίσει τελικά σταθερό ⁴Δεν.