Heikko voima on yksi neljästä perusvoimasta, jotka hallitsevat kaikkea maailmankaikkeuden ainetta. Muut kolme ovat painovoima, sähkömagnetismi ja voimakas voima. Vaikka muut voimat pitävät asioita yhdessä, heikoilla voimilla on suuri osa niiden hajoamisessa.
Heikko voima on vahvempi kuin painovoima, mutta se on tehokas vain hyvin pienillä etäisyyksillä. Voima toimii subatomitasolla ja sillä on kriittinen rooli energian tuottamisessa tähdille ja elementtien luomisessa. Se on myös vastuussa suurimmasta osasta universumin luonnollisesta säteilystä.
Fermi Theory
Italialainen fyysikko Enrico Fermi kehitti teorian vuonna 1933 selittääkseen beeta-hajoamisen, prosessin, jossa neutroni muunnetaan protoniksi ja karkotetaan elektroni, jota kutsutaan usein tässä yhteydessä beetahiukkaseksi. Hän tunnisti uuden tyyppisen voiman, niin kutsutun heikon voiman, joka oli vastuussa hajoamisesta, perusprosessista neutronin muuttumisessa protoniksi, neutriinoksi ja elektroniksi, joka tunnistettiin myöhemmin antineutriinoksi.
Fermi alunperinoletettiin, että etäisyyttä ja tarttuvuutta ei ollut. Kahden hiukkasen oli oltava kosketuksissa voiman toimimiseksi. Sittemmin on paljastunut, että heikko voima on itse asiassa vetovoima, joka ilmenee erittäin lyhyellä etäisyydellä, joka on 0,1 % protonin halkaisijasta.
Sähköheikkovoima
Radioaktiivisissa hajoamisissa heikko voima on noin 100 000 kertaa pienempi kuin sähkömagneettinen voima. Nyt sen tiedetään kuitenkin olevan luonnostaan yhtä suuri kuin sähkömagneettinen, ja näiden kahden ilmeisen erillisen ilmiön ajatellaan olevan yhden sähköheikon voiman ilmentymiä. Tämän vahvistaa se tosiasia, että ne yhdistyvät yli 100 GeV:n energioissa.
Joskus sanotaan, että heikko vuorovaikutus ilmenee molekyylien hajoamisena. Molekyylien väliset voimat ovat kuitenkin luonteeltaan sähköstaattisia. Van der Waals löysi ne, ja ne kantavat hänen nimeään.
Vakiomalli
Fysiikan heikko vuorovaikutus on osa standardimallia - alkuainehiukkasten teoriaa, joka kuvaa aineen perusrakennetta tyylikkäiden yhtälöiden avulla. Tämän mallin mukaan alkuainehiukkaset, eli ne, joita ei voida jakaa pienempiin osiin, ovat maailmankaikkeuden rakennuspalikoita.
Yksi näistä hiukkasista on kvarkki. Tiedemiehet eivät oleta vähempää olevan olemassa, mutta he etsivät silti. Kvarkkeja on 6 tyyppiä tai lajiketta. Laitetaan ne järjestykseenmassan lisäys:
- top;
- alempi;
- outo;
- lumottu;
- ihana;
- tosi.
Erilaisissa yhdistelmissä ne muodostavat monia erilaisia subatomisia hiukkasia. Esimerkiksi protonit ja neutronit - atomiytimen suuret hiukkaset - koostuvat kukin kolmesta kvarkista. Kaksi ylintä ja alin muodostavat protonin. Ylempi ja kaksi alinta muodostavat neutronin. Kvarkin tyypin muuttaminen voi muuttaa protonin neutroniksi, jolloin yksi elementti muuttuu toiseksi.
Toinen alkuainehiukkastyyppi on bosoni. Nämä hiukkaset ovat vuorovaikutuksen kantajia, jotka koostuvat energiasäteistä. Fotonit ovat yksi bosonin tyyppi, gluonit toinen. Jokainen näistä neljästä voimasta on seurausta vuorovaikutuksen kantajien vaihdosta. Voimakkaan vuorovaikutuksen suorittaa gluoni ja sähkömagneettisen vuorovaikutuksen fotoni. Gravitoni on teoriassa painovoiman kantaja, mutta sitä ei ole löydetty.
W- ja Z-bosonit
Heikkoa vuorovaikutusta kuljettavat W- ja Z-bosonit. Nobel-palkitut Steven Weinberg, Sheldon Salam ja Abdus Gleshow ennustivat nämä hiukkaset 1960-luvulla, ja ne löydettiin vuonna 1983 Euroopan ydintutkimusjärjestössä CERNissä.
W-bosonit ovat sähköisesti varautuneita ja niitä on merkitty symboleilla W+ (positiivisesti varautunut) ja W- (negatiivisesti varautunut). W-bosoni muuttaa hiukkasten koostumusta. Lähettämällä sähköisesti varautuneen W-bosonin heikko voima muuttaa kvarkin tyyppiä ja muodostaa protoninneutroniksi tai päinvastoin. Tämä aiheuttaa ydinfuusion ja saa tähdet palamaan.
Tämä reaktio synnyttää raskaampia elementtejä, jotka lopulta sinkoutuvat avaruuteen supernovaräjähdyksissä, jotta niistä tulee planeettojen, kasvien, ihmisten ja kaiken muun maan rakennuspalikoita.
Neutraalivirta
Z-bosoni on neutraali ja kuljettaa heikkoa neutraalivirtaa. Sen vuorovaikutusta hiukkasten kanssa on vaikea havaita. W- ja Z-bosonien kokeelliset etsinnät 1960-luvulla johtivat tutkijat teoriaan, joka yhdistää sähkömagneettiset ja heikot voimat yhdeksi "elektroheakiksi". Teoria vaati kuitenkin kantajahiukkasten olevan painottomia, ja tiedemiehet tiesivät, että teoriassa W-bosonin olisi oltava raskas selittääkseen sen lyhyen kantaman. Teoreetikot ovat katsoneet massan W johtuvan näkymättömästä mekanismista, jota kutsutaan Higgsin mekanismiksi, joka mahdollistaa Higgsin bosonin olemassaolon.
Vuonna 2012 CERN raportoi, että maailman suurinta kiihdytintä, Large Hadron Collider -kiihdytintä, käyttävät tutkijat olivat havainneet uuden hiukkasen, joka "vastaa Higgsin bosonia".
Beta Decay
Heikko vuorovaikutus ilmenee β-hajoamisessa - prosessissa, jossa protoni muuttuu neutroniksi ja päinvastoin. Se tapahtuu, kun ytimessä, jossa on liian paljon neutroneja tai protoneja, yksi niistä muuttuu toiseksi.
Beta-hajoaminen voi tapahtua kahdella tavalla:
- Miinus-beta-hajoamisessa, joskus kirjoitettunaβ− -hajoaminen, neutroni hajoaa protoniksi, antineutriinoksi ja elektroniksi.
- Heikko vuorovaikutus ilmenee atomiytimien hajoamisena, joka joskus kirjoitetaan nimellä β+-hajoaminen, kun protoni jakautuu neutroniksi, neutriinoksi ja positroniksi.
Yksi alkuaineista voi muuttua toiseksi, kun yksi sen neutroneista muuttuu spontaanisti protoniksi miinus-beeta-hajoamisen seurauksena tai kun yksi sen protoneista muuttuu spontaanisti neutroniksi β+-hajoaminen.
Kaksoisbeetahajoaminen tapahtuu, kun 2 protonia ytimessä muuttuu samanaikaisesti kahdeksi neutroniksi tai päinvastoin, jolloin syntyy 2 elektroni-antineutriinoa ja 2 beetahiukkasta. Hypoteettisessa neutriinittomassa kaksoisbeetahajoamisessa neutriinoja ei muodostu.
Elektroninen sieppaus
Protoni voi muuttua neutroniksi prosessin kautta, jota kutsutaan elektronien sieppaamiseksi tai K-kaappaukseksi. Kun ytimessä on ylimäärä protoneja suhteessa neutronien määrään, elektroni, joka on pääsääntöisesti sisäelektronikuoresta, näyttää putoavan ytimeen. Orbitaalin elektronin vangitsee emoydin, jonka tuotteet ovat tytärydin ja neutrino. Tuloksena olevan tytärytimen atomiluku pienenee yhdellä, mutta protonien ja neutronien kokonaismäärä pysyy samana.
Fuusioreaktio
Heikko voima liittyy ydinfuusioon, reaktioon, joka saa voiman aurinkoon ja fuusio(vety)pommeihin.
Ensimmäinen vaihe vetyfuusiossa on kahden törmäysprotoneja, joilla on riittävä voima voittamaan sähkömagneettisen vuorovaikutuksensa aiheuttaman keskinäisen hylkimisen.
Jos molemmat hiukkaset asetetaan lähelle toisiaan, voimakas vuorovaikutus voi sitoa ne. Tämä luo heliumin epävakaan muodon (2He), jossa on kaksi protonia sisältävä ydin, toisin kuin stabiili muoto (4He), jossa on kaksi neutronia ja kaksi protonia.
Seuraava askel on heikko vuorovaikutus. Protonien ylimäärän vuoksi yksi niistä läpikäy beetahajoamisen. Sen jälkeen muut reaktiot, mukaan lukien välimuodostus ja fuusio 3Hän, muodostavat lopulta vakaan 4Hän.
