Slaba sila je jedna od četiri temeljne sile koje upravljaju svom materijom u svemiru. Ostale tri su gravitacija, elektromagnetizam i jaka sila. Dok druge sile drže stvari zajedno, slaba sila igra veliku ulogu u njihovom razbijanju.
Slaba sila je jača od gravitacije, ali je učinkovita samo na vrlo malim udaljenostima. Sila djeluje na subatomskoj razini i igra ključnu ulogu u opskrbljivanju energije zvijezdama i stvaranju elemenata. Također je odgovoran za većinu prirodnog zračenja u svemiru.
Fermijeva teorija
Talijanski fizičar Enrico Fermi razvio je teoriju 1933. kako bi objasnio beta raspad, proces pretvaranja neutrona u proton i izbacivanja elektrona, koji se u ovom kontekstu često naziva beta čestica. Identificirao je novu vrstu sile, tzv. slabu silu, koja je odgovorna za raspad, temeljni proces transformacije neutrona u proton, neutrino i elektron, koji je kasnije identificiran kao antineutrino.
Fermi izvornopretpostavio da postoji nula udaljenost i prianjanje. Dvije su čestice morale biti u kontaktu da bi sila djelovala. Otad je otkriveno da je slaba sila zapravo privlačna sila koja se manifestira na izuzetno kratkoj udaljenosti, jednakoj 0,1% promjera protona.
Elektroslaba sila
Kod radioaktivnih raspada, slaba sila je otprilike 100 000 puta manja od elektromagnetske sile. Međutim, sada je poznato da je on suštinski jednak elektromagnetskom, a smatra se da su ova dva naizgled različita fenomena manifestacije jedne elektroslabe sile. To potvrđuje i činjenica da se kombiniraju pri energijama većim od 100 GeV.
Ponekad kažu da se slaba interakcija očituje u raspadu molekula. Međutim, međumolekularne sile su elektrostatičke prirode. Otkrio ih je van der Waals i nose njegovo ime.
Standardni model
Slaba interakcija u fizici dio je standardnog modela - teorije 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 građevni blokovi svemira.
Jedna od ovih čestica je kvark. Znanstvenici ne pretpostavljaju postojanje nečeg manjeg, ali još uvijek traže. Postoji 6 vrsta ili vrsta kvarkova. Stavimo ih u redpovećanje mase:
- vrh;
- niže;
- čudno;
- začarana;
- divan;
- točno.
U raznim kombinacijama tvore mnogo različitih vrsta subatomskih čestica. Na primjer, protoni i neutroni - velike čestice atomske jezgre - svaki se sastoji od tri kvarka. Gornja dva i donja čine proton. Gornji i dva donja tvore neutron. Promjena vrste kvarka može promijeniti proton u neutron, pretvarajući tako jedan element u drugi.
Druga vrsta elementarnih čestica je bozon. Ove čestice su nositelji interakcije, koji se sastoje od energetskih snopova. Fotoni su jedna vrsta bozona, a gluoni druga. Svaka od ove četiri sile rezultat je razmjene nositelja interakcije. Jaku interakciju provodi gluon, a elektromagnetsku interakciju foton. Graviton je teoretski nositelj gravitacije, ali nije pronađen.
W- i Z-bozoni
Slabu interakciju nose W- i Z-bozoni. Te su čestice predvidjeli nobelovci Steven Weinberg, Sheldon Salam i Abdus Gleshow 1960-ih, a otkrili su ih 1983. u Europskoj organizaciji za nuklearna istraživanja CERN.
W-bozoni su električno nabijeni i označeni su simbolima W+ (pozitivno nabijeni) i W- (negativno nabijeni). W-bozon mijenja sastav čestica. Emitirajući električni nabijeni W bozon, slaba sila mijenja vrstu kvarka, stvarajući protonu neutron ili obrnuto. To je ono što uzrokuje nuklearnu fuziju i uzrokuje gorenje zvijezda.
Ova reakcija stvara teže elemente koji se na kraju bacaju u svemir eksplozijama supernove kako bi postali građevni blokovi planeta, biljaka, ljudi i svega ostalog na Zemlji.
Neutralna struja
Z-bozon je neutralan i nosi slabu neutralnu struju. Njegovu interakciju s česticama teško je otkriti. Eksperimentalne pretrage za W- i Z-bozonima 1960-ih dovele su znanstvenike do teorije koja spaja elektromagnetske i slabe sile u jednu "elektroslabu". Međutim, teorija je zahtijevala da čestice nosača budu bestežinske, a znanstvenici su znali da bi teoretski W bozon morao biti težak kako bi objasnio svoj kratki domet. Teoretičari su masu W pripisali nevidljivom mehanizmu zvanom Higgsov mehanizam, koji osigurava postojanje Higgsovog bozona.
U 2012., CERN je izvijestio da su znanstvenici koji koriste najveći svjetski akcelerator, Veliki hadronski sudarač, primijetili novu česticu "koja odgovara Higgsovom bozonu."
Beta Decay
Slaba interakcija se očituje u β-raspadu - procesu 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.
Beta raspad može se dogoditi na jedan od dva načina:
- U minus-beta raspadu, ponekad napisano kaoβ− -raspad, neutron se dijeli na proton, antineutrino i elektron.
- Slaba interakcija se očituje u raspadu atomskih jezgri, ponekad zapisanom kao β+-raspad, kada se proton podijeli na neutron, neutrino i pozitron.-raspad.
Jedan od elemenata može se pretvoriti u drugi kada se jedan od njegovih neutrona spontano pretvori u proton kroz minus-beta raspad, ili kada se jedan od njegovih protona spontano pretvori u neutron kroz β+-raspad.
Dvostruki beta raspad događa se kada se 2 protona u jezgri istovremeno transformiraju u 2 neutrona ili obrnuto, što rezultira emisijom 2 elektrona-antineutrina i 2 beta čestice. U hipotetskom dvostrukom beta raspadu bez neutrina, neutrini se ne proizvode.
Elektronsko snimanje
Proton se može pretvoriti u neutron kroz proces koji se naziva hvatanje elektrona ili K-hvatanje. Kada jezgra ima višak protona u odnosu na broj neutrona, čini se da elektron, u pravilu, iz unutarnje elektronske ljuske pada u jezgru. Elektron orbitale hvata matična jezgra, čiji su produkti jezgra kćer i neutrino. Atomski broj rezultirajuće kćeri jezgre smanjuje se za 1, ali ukupan broj protona i neutrona ostaje isti.
Fusion reakcija
Slaba sila je uključena u nuklearnu fuziju, reakciju koja pokreće sunce i fuzijske (vodikove) bombe.
Prvi korak u fuziji vodika je sudar dvajuprotoni s dovoljnom snagom da prevladaju međusobno odbijanje koje doživljavaju zbog svoje elektromagnetske interakcije.
Ako su obje čestice postavljene blizu jedna drugoj, snažna interakcija ih može vezati. Ovo stvara nestabilan oblik helija (2He), koji ima jezgru s dva protona, za razliku od stabilnog oblika (4He), koji ima dva neutrona i dva protona.
Sljedeći korak je slaba interakcija. Zbog viška protona, jedan od njih prolazi kroz beta raspad. Nakon toga, druge reakcije, uključujući međuformiranje i fuziju 3He, na kraju formiraju stabilan 4He.
