Što je slaba interakcija u fizici?

Slaba interakcija jedna je od četiritemeljne sile koje upravljaju svim materijama u svemiru. Ostale tri su gravitacija, elektromagnetizam i jaka sila. Dok druge sile drže stvari na okupu, slabe snage igraju veliku ulogu u njihovom razbijanju.

Slaba interakcija jača je od gravitacije, ali onaučinkovit samo na vrlo kratkim udaljenostima. Sila djeluje na subatomskoj razini i igra presudnu ulogu u energijiranju zvijezda i stvaranju elemenata. Također je odgovorna za većinu prirodnog zračenja u svemiru.

Fermijeva teorija

Talijanski fizičar Enrico Fermi 1933. godine razvio teoriju da objasni beta raspad - postupak pretvaranja neutrona u proton i istiskivanja elektrona, koji se u ovom kontekstu često naziva beta česticom. Definirao je novu vrstu sile, takozvanu slabu interakciju, koja je bila odgovorna za raspad, temeljni proces pretvaranja neutrona u proton, neutrino i elektron, koji je kasnije definiran kao antineutrino.

Fermi je prvotno pretpostavio da postojinulta udaljenost i prianjanje. Dvije čestice morale su biti u kontaktu da bi sila djelovala. Od tada je otkriveno da je slaba interakcija zapravo sila privlačenja, koja se očituje na izuzetno kratkoj udaljenosti jednakoj 0,1% promjera protona.

Elektroslaba čvrstoća

Slaba snaga u radioaktivnim raspadimaotprilike 100 000 puta manje od elektromagnetskog. Međutim, sada je poznato da je ona suštinski jednaka elektromagnetskoj sili, a vjeruje se da su ove dvije naizgled različite pojave manifestacije jedne jedine elektroslabe sile. To potvrđuje činjenica da se kombiniraju pri energijama iznad 100 GeV.

Ponekad se kaže da se slaba interakcija očituje tijekom raspada molekula. Međutim, intermolekularne sile su elektrostatske prirode. Otkrio ih je Van der Waals i nose njegovo ime.

Standardni model

Slabe interakcije u fizici su diostandardni model, teorija elementarnih čestica, koja opisuje temeljnu strukturu materije pomoću skupa elegantnih jednadžbi. Prema ovom modelu, elementarne čestice, odnosno ono što se ne može podijeliti na manje dijelove, su gradivni elementi svemira.

Jedna od tih čestica je kvark. Znanstvenici ne pretpostavljaju da postoji išta manje, ali svejedno traže. Postoji 6 vrsta ili sorti kvarkova. Rasporedimo ih u sve većem redoslijedu mase:

• Gornji;
• niži;
• čudno;
• očaran;
• šarmantan;
• pravi.

U raznim kombinacijama čine skuprazne vrste subatomskih čestica. Tako se, na primjer, protoni i neutroni - velike čestice atomske jezgre - sastoje od po tri kvarka. Dva gornja i donja čine proton. Gornji i dva donja tvore neutron. Promjenom vrste kvarka proton se može pretvoriti u neutron, pretvarajući time jedan element u drugi.

Druga vrsta elementarne čestice je bozon. Te su čestice nositelji interakcije, koje se sastoje od snopova energije. Fotoni su jedna vrsta bozona, gluoni su druga vrsta. Svaka od ove četiri sile rezultat je razmjene nositelja interakcije. Snažnu interakciju provodi gluon, a elektromagnetsku - foton. Graviton je teoretski nosač gravitacije, ali nije pronađen.

W i Z bozoni

Slabu interakciju nose W i Z bozoni. Te su čestice predviđali nobelovci Steven Weinberg, Sheldon Salam i Abdus Gleshaw 60-ih godina prošlog stoljeća, a otkriveni su 1983. u Europskoj organizaciji za nuklearna istraživanja CERN.

W bozoni su električno nabijeni i označeni su simbolima W⁺ (pozitivno nabijen) i W^- (negativno nabijeno). W bozon mijenja sastav čestica. Emitiranjem električki nabijenog W bozona, slaba sila mijenja vrstu kvarka, pretvarajući proton u neutron ili obrnuto. To je ono što uzrokuje nuklearnu fuziju i tjera zvijezde da gore.

Ova reakcija stvara teže elemente,koje na kraju bace u svemir eksplozijama supernove da postanu gradivni blokovi planeta, biljaka, ljudi i svega ostalog na Zemlji.

Neutralna struja

Z-bozon je neutralan i nosi slabu neutralnu struju. Teško je otkriti njegovu interakciju s česticama. Eksperimentalna pretraživanja W i Z bozona 1960-ih dovela su znanstvenike do teorije koja kombinira elektromagnetske i slabe sile u jednu "elektroslabu" silu. Međutim, teorija je zahtijevala da čestice nosača budu bez težine, a znanstvenici su znali da u teoriji W-bozon mora biti težak da bi objasnio svoj kratki domet. Teoretičari su masu W pripisali nevidljivom mehanizmu zvanom Higgsov mehanizam, koji uključuje postojanje Higgsovog bozona.

2012. CERN je izvijestio da su znanstvenici koji koriste najveći svjetski akcelerator, Veliki hadronski sudarač, primijetili novu česticu "koja odgovara Higgsovom bozonu".

Beta propadanje

Slaba interakcija očituje se u β-raspadanju -proces u kojem se proton pretvara u neutron i obrnuto. To se događa kada se u jezgri s previše neutrona ili protona jedan od njih pretvori u drugi.

Propadanje beta verzije može se obaviti na jedan od dva načina:

1. S minus beta raspadom, ponekad zapisan kao β^- -razpadom, neutron se dijeli na proton, antineutrino i elektron.
2. Slaba interakcija očituje se u raspadanju atomskih jezgri, ponekad zapisanoj kao β⁺-razpadanje, kada se proton razdijeli na neutron, neutrino i pozitron.

Jedan od elemenata može se pretvoriti u drugi,kada se jedan od njegovih neutrona spontano pretvori u proton minus minus beta raspadom ili kad se jedan od njegovih protona spontano pretvori u neutron putem β⁺-propadanje.

Dvostruko beta propadanje događa se kada ih ima 2protoni se istovremeno transformiraju u 2 neutrona ili obrnuto, uslijed čega se emitiraju 2 elektrona-antineutrina i 2 beta-čestice. U hipotetskom dvostrukom beta raspadu bez neutrina, neutrini se ne proizvode.

Elektroničko snimanje

Proton se može pretvoriti u neutronproces koji se naziva hvatanje elektrona ili K-hvatanje. Kada u jezgri postoji višak protona u odnosu na broj neutrona, čini se da elektron, u pravilu, iz unutarnje elektronske ljuske pada u jezgru. Elektron orbitale zarobljava matična jezgra čiji su proizvodi kćerna jezgra i neutrini. Atomski broj rezultirajuće kćerne jezgre smanjuje se za 1, ali ukupan broj protona i neutrona ostaje isti.

Termonuklearna reakcija

Slaba interakcija sudjeluje u nuklearnoj fuziji - reakciji koja opskrbljuje energijom sunce i termonuklearne (vodikove) bombe.

Prvi korak u fuziji vodika je sudar dva protona s dovoljno snage da prevlada međusobno odbijanje koje doživljavaju zbog svoje elektromagnetske interakcije.

Ako su obje čestice smještene blizu jedna drugoj, jaka interakcija može ih vezati. To stvara nestabilan oblik helija (²He), koja ima jezgru s dva protona, za razliku od stabilnog oblika (⁴Not), koji ima dva neutrona i dva protona.

U sljedećem koraku dolazi do izražaja slaba interakcija. Zbog preobilja protona, jedan od njih prolazi kroz beta raspad. Nakon toga, druge reakcije, uključujući intermedijarno stvaranje i fuziju ³U konačnici neće formirati staju ⁴Ne.