Silpnoji jėga yra viena iš keturių pagrindinių jėgų, valdančių visą materiją visatoje. Kiti trys yra gravitacija, elektromagnetizmas ir stipri jėga. Nors kitos jėgos sulaiko dalykus, silpna jėga vaidina svarbų vaidmenį jas suardant.
Silpnoji jėga yra stipresnė už gravitaciją, tačiau ji veiksminga tik labai nedideliais atstumais. Jėga veikia subatominiame lygmenyje ir atlieka svarbų vaidmenį tiekiant energiją žvaigždėms ir kuriant elementus. Ji taip pat yra atsakinga už didžiąją dalį natūralios radiacijos visatoje.
Fermi teorija
Italų fizikas Enrico Fermi 1933 m. sukūrė teoriją, paaiškinančią beta skilimą – neutrono pavertimo protonu ir elektrono išstūmimo procesą, šiame kontekste dažnai vadinamą beta dalele. Jis nustatė naujo tipo jėgą, vadinamąją silpnąją jėgą, kuri buvo atsakinga už skilimą, pagrindinį neutrono virsmo protonu, neutrinu ir elektronu procesą, kuris vėliau buvo identifikuotas kaip antineutrinas.
Fermi iš pradžiųdaroma prielaida, kad atstumas ir sukibimas yra nulinis. Dvi dalelės turėjo liestis, kad jėga veiktų. Nuo tada buvo atskleista, kad silpnoji jėga iš tikrųjų yra patraukli jėga, kuri pasireiškia per labai trumpą atstumą, lygų 0,1 % protono skersmens.
Elektros silpnoji jėga
Radioaktyvaus skilimo metu silpnoji jėga yra maždaug 100 000 kartų mažesnė už elektromagnetinę jėgą. Tačiau dabar žinoma, kad jis iš esmės yra lygus elektromagnetiniam, ir manoma, kad šie du akivaizdžiai skirtingi reiškiniai yra vienos elektrosilpnos jėgos apraiškos. Tai patvirtina faktas, kad jie susijungia esant didesnei nei 100 GeV energijai.
Kartais sakoma, kad silpnoji sąveika pasireiškia molekulių irimu. Tačiau tarpmolekulinės jėgos yra elektrostatinės. Juos atrado van der Waalsas ir jie turi jo vardą.
Standartinis modelis
Silpna sąveika fizikoje yra dalis standartinio modelio – elementariųjų dalelių teorijos, kuri apibūdina pagrindinę materijos struktūrą naudojant elegantiškų lygčių rinkinį. Pagal šį modelį elementariosios dalelės, ty tos, kurių negalima padalyti į mažesnes dalis, yra visatos statybinė medžiaga.
Viena iš šių dalelių yra kvarkas. Mokslininkai nemano, kad egzistuoja kažkas mažiau, bet jie vis dar ieško. Yra 6 kvarkų rūšys arba atmainos. Sutvarkykime juosmasės padidėjimas:
- viršus;
- žemesnis;
- keista;
- užburtas;
- žavinga;
- tiesa.
Įvairiose kombinacijose jie sudaro daugybę skirtingų rūšių subatominių dalelių. Pavyzdžiui, protonai ir neutronai – didelės atomo branduolio dalelės – susideda iš trijų kvarkų. Du viršutiniai ir apatiniai sudaro protoną. Viršutinė ir dvi apatinės sudaro neutroną. Pakeitus kvarko rūšį, protonas gali virsti neutronu, todėl vienas elementas virsta kitu.
Kitas elementariųjų dalelių tipas yra bozonas. Šios dalelės yra sąveikos nešikliai, susidedantys iš energijos pluoštų. Fotonai yra vienos rūšies bozonai, o gliuonai – kita. Kiekviena iš šių keturių jėgų yra sąveikos nešėjų mainų rezultatas. Stiprią sąveiką vykdo gliuonas, o elektromagnetinę – fotonas. Teoriškai gravitonas yra gravitacijos nešėjas, bet jis nebuvo rastas.
W- ir Z-bozonai
Silpną sąveiką vykdo W ir Z bozonai. Šias daleles septintajame dešimtmetyje numatė Nobelio premijos laureatai Stevenas Weinbergas, Sheldonas Salamas ir Abdusas Gleshowas, o 1983 m. jas atrado Europos branduolinių tyrimų organizacijoje CERN.
W-bozonai yra elektriškai įkrauti ir žymimi simboliais W+ (teigiamai įkrauti) ir W- (neigiamai įkrauti). W-bozonas keičia dalelių sudėtį. Išskleisdama elektriškai įkrautą W bozoną, silpnoji jėga pakeičia kvarko rūšį, sudarydama protonąį neutroną arba atvirkščiai. Tai sukelia branduolių sintezę ir dega žvaigždes.
Ši reakcija sukuria sunkesnius elementus, kurie supernovos sprogimų galiausiai išmeta į kosmosą ir tampa planetų, augalų, žmonių ir visa kita Žemėje statybiniais blokais.
Neutrali srovė
Z-bosonas yra neutralus ir teka silpna neutrali srovė. Sunku nustatyti jo sąveiką su dalelėmis. Eksperimentinės W ir Z bozonų paieškos septintajame dešimtmetyje atvedė mokslininkus prie teorijos, kuri sujungia elektromagnetines ir silpnąsias jėgas į vieną „elektros bangą“. Tačiau teorija reikalavo, kad nešiklio dalelės būtų nesvarios, ir mokslininkai žinojo, kad teoriškai W bozonas turėtų būti sunkus, kad paaiškintų savo trumpą atstumą. Teoretikai masę W priskyrė nematomam mechanizmui, vadinamam Higso mechanizmu, kuris numato Higso bozono egzistavimą.
2012 m. CERN pranešė, kad mokslininkai, naudodami didžiausią pasaulyje greitintuvą Didįjį hadronų greitintuvą, pastebėjo naują dalelę, „atitinkančią Higso bozoną“.
Beta Decay
Silpna sąveika pasireiškia β skilimu – procesu, kurio metu protonas virsta neutronu ir atvirkščiai. Tai atsitinka, kai branduolyje, kuriame yra per daug neutronų ar protonų, vienas iš jų paverčiamas kitu.
Beta skilimas gali vykti vienu iš dviejų būdų:
- Su minuso beta skilimu, kartais rašoma kaipβ− -skilimas, neutronas skyla į protoną, antineutriną ir elektroną.
- Silpna sąveika pasireiškia atomų branduolių skilimu, kartais rašoma kaip β+-skilimas, kai protonas skyla į neutroną, neutriną ir pozitroną.
Vienas iš elementų gali virsti kitu, kai vienas iš jo neutronų spontaniškai virsta protonu per minuso beta skilimą arba kai vienas iš jo protonų spontaniškai virsta neutronu per β+-skilimas.
Dvigubas beta skilimas įvyksta, kai 2 protonai branduolyje vienu metu paverčiami 2 neutronais arba atvirkščiai, todėl išsiskiria 2 elektronų antineutrinai ir 2 beta dalelės. Hipotetinio dvigubo beta skilimo be neutrino atveju neutrinai nesusidaro.
Elektroninis fiksavimas
Protonas gali virsti neutronu per procesą, vadinamą elektronų gaudymu arba K gaudymu. Kai branduolyje yra perteklinis protonų skaičius, palyginti su neutronų skaičiumi, elektronas, kaip taisyklė, iš vidinio elektronų apvalkalo patenka į branduolį. Orbitos elektroną pagauna pirminis branduolys, kurio produktai yra dukterinis branduolys ir neutrinas. Susidariusio dukterinio branduolio atominis skaičius sumažėja 1, bet bendras protonų ir neutronų skaičius išlieka toks pat.
Susiliejimo reakcija
Silpnoji jėga yra susijusi su branduolių sinteze, reakcija, kuri maitina saulę ir sintezės (vandenilio) bombas.
Pirmasis vandenilio sintezės žingsnis yra dviejų susidūrimasprotonai, turintys pakankamai jėgos, kad įveiktų abipusį atstūmimą, kurį jie patiria dėl elektromagnetinės sąveikos.
Jei abi dalelės yra arti viena kitos, stipri sąveika gali jas surišti. Tai sukuria nestabilią helio formą (2He), kurios branduolys turi du protonus, o ne stabili forma (4He), kuris turi du neutronus ir du protonus.
Kitas žingsnis yra silpna sąveika. Dėl protonų pertekliaus vienas iš jų patiria beta skilimą. Po to kitos reakcijos, įskaitant tarpinį susidarymą ir susiliejimą 3Jis galiausiai sudaro stabilią 4Jis.
