Šibka sila je ena od štirih temeljnih sil, ki upravljajo vso materijo v vesolju. Ostale tri so gravitacija, elektromagnetizem in močna sila. Medtem ko druge sile držijo stvari skupaj, ima šibka sila veliko vlogo pri njihovem uničenju.
Šibka sila je močnejša od gravitacije, vendar je učinkovita le na zelo majhnih razdaljah. Sila deluje na subatomski ravni in igra ključno vlogo pri zagotavljanju energije zvezdam in ustvarjanju elementov. Prav tako je odgovoren za večino naravnega sevanja v vesolju.
Fermijeva teorija
Italijanski fizik Enrico Fermi je leta 1933 razvil teorijo za razlago beta razpada, procesa pretvorbe nevtrona v proton in izgona elektrona, ki se v tem kontekstu pogosto imenuje beta delec. Identificiral je novo vrsto sile, tako imenovano šibko silo, ki je bila odgovorna za razpad, temeljni proces preoblikovanja nevtrona v proton, nevtrino in elektron, ki je bil kasneje identificiran kot antinevtrino.
Fermi prvotnodomnevali, da je razdalja in adhezija nič. Delca sta morala biti v stiku, da je sila delovala. Od takrat se je pokazalo, da je šibka sila pravzaprav privlačna sila, ki se kaže na izjemno kratki razdalji, ki je enaka 0,1 % premera protona.
elektrošibka sila
Pri radioaktivnih razpadih je šibka sila približno 100.000-krat manjša od elektromagnetne sile. Vendar je zdaj znano, da je sama po sebi enaka elektromagnetnemu, in menijo, da sta ta dva navidezno različna pojava manifestacija ene same elektrošibke sile. To potrjuje dejstvo, da se združujejo pri energijah, večjih od 100 GeV.
Včasih pravijo, da se šibka interakcija kaže v razpadu molekul. Vendar so medmolekularne sile elektrostatične narave. Odkril jih je van der Waals in nosijo njegovo ime.
Standardni model
Šibka interakcija v fiziki je del standardnega modela - teorije elementarnih delcev, ki opisuje temeljno strukturo snovi z uporabo niza elegantnih enačb. Po tem modelu so osnovni delci, torej tisti, ki jih ni mogoče razdeliti na manjše dele, gradniki vesolja.
Eden od teh delcev je kvark. Znanstveniki ne domnevajo obstoja nič manj, a še vedno iščejo. Obstaja 6 vrst ali sort kvarkov. Spravimo jih v redpovečanje mase:
- vrh;
- nižje;
- čudno;
- začarana;
- očarljivo;
- res.
V različnih kombinacijah tvorijo veliko različnih vrst subatomskih delcev. Na primer, protoni in nevtroni - veliki delci atomskega jedra - so sestavljeni iz treh kvarkov. Zgornja dva in spodnji tvorita proton. Zgornji in dva spodnja tvorita nevtron. Če spremenite vrsto kvarka, lahko proton spremenite v nevtron in tako en element spremenite v drugega.
Druga vrsta elementarnih delcev je bozon. Ti delci so nosilci interakcij, ki so sestavljeni iz energijskih žarkov. Fotoni so ena vrsta bozonov, gluoni pa druga. Vsaka od teh štirih sil je rezultat izmenjave nosilcev interakcij. Močno interakcijo izvaja gluon, elektromagnetno interakcijo pa foton. Graviton je teoretično nosilec gravitacije, vendar ga niso našli.
W- in Z-bozoni
Šibko interakcijo nosijo W- in Z-bozoni. Te delce so v šestdesetih letih prejšnjega stoletja napovedali Nobelovi nagrajenci Steven Weinberg, Sheldon Salam in Abdus Gleshow, odkrili pa so jih leta 1983 v Evropski organizaciji za jedrske raziskave CERN.
W-bozoni so električno nabiti in so označeni s simboloma W+ (pozitivno nabit) in W- (negativno nabit). W-bozon spremeni sestavo delcev. Z oddajanjem električno nabitega W bozona šibka sila spremeni vrsto kvarka, tako da nastane protonv nevtron ali obratno. To je tisto, kar povzroča jedrsko fuzijo in povzroči gorenje zvezd.
Ta reakcija ustvari težje elemente, ki jih eksplozije supernove sčasoma vržejo v vesolje, da postanejo gradniki planetov, rastlin, ljudi in vsega drugega na Zemlji.
Nevtralni tok
Z-bozon je nevtralen in nosi šibek nevtralen tok. Njegovo interakcijo z delci je težko zaznati. Eksperimentalna iskanja W- in Z-bozonov v šestdesetih letih prejšnjega stoletja so znanstvenike pripeljala do teorije, ki združuje elektromagnetne in šibke sile v eno samo "elektrošibko". Vendar je teorija zahtevala, da so nosilni delci breztežni in znanstveniki so vedeli, da bi moral biti W bozon teoretično težek, da bi pojasnil svoj kratek doseg. Teoretiki so maso W pripisali nevidnemu mehanizmu, imenovanemu Higgsov mehanizem, ki zagotavlja obstoj Higgsovega bozona.
Leta 2012 je CERN poročal, da so znanstveniki, ki uporabljajo največji pospeševalnik na svetu, Veliki hadronski trkalnik, opazili nov delec, ki "ustreza Higgsovemu bozonu."
Beta Decay
Šibka interakcija se kaže v β-razpadu – procesu, v katerem se proton spremeni v nevtron in obratno. Pojavi se, ko se v jedru s preveč nevtroni ali protoni eden od njih pretvori v drugega.
Beta razpad se lahko pojavi na enega od dveh načinov:
- V minus-beta razpadu, včasih zapisano kotβ− -razpad, nevtron se razcepi na proton, antinevtrino in elektron.
- Šibka interakcija se kaže v razpadu atomskih jeder, včasih zapisanem kot β+-razpad, ko se proton razdeli na nevtron, nevtrino in pozitron.-razpad.
Eden od elementov se lahko spremeni v drugega, ko se eden od njegovih nevtronov spontano spremeni v proton z minus-beta razpadom ali ko se eden od njegovih protonov spontano spremeni v nevtron preko β+-razpad.
Dvojni beta razpad se pojavi, ko se 2 protona v jedru hkrati pretvorita v 2 nevtrona ali obratno, kar povzroči emisijo 2 elektron-antinevtrina in 2 beta delcev. Pri hipotetičnem dvojnem beta razpadu brez nevtrinov se nevtrini ne proizvajajo.
Elektronski zajem
Proton se lahko spremeni v nevtron s postopkom, imenovanim zajemanje elektronov ali K-zajem. Ko ima jedro presežno število protonov glede na število nevtronov, se zdi, da elektron praviloma iz notranje elektronske lupine pade v jedro. Elektron orbitale ujame matično jedro, katerega produkta sta hčerinsko jedro in nevtrino. Atomsko število nastalega hčerinskega jedra se zmanjša za 1, vendar skupno število protonov in nevtronov ostane enako.
fuzijska reakcija
Šibka sila je vključena v jedrsko fuzijo, reakcijo, ki poganja sonce in fuzijske (vodikove) bombe.
Prvi korak pri fuziji vodika je trk dvehprotoni z zadostno silo, da premagajo medsebojni odboj, ki ga doživijo zaradi svoje elektromagnetne interakcije.
Če sta oba delca nameščena blizu drug drugemu, ju lahko poveže močna interakcija. To ustvari nestabilno obliko helija (2He), ki ima jedro z dvema protonoma, v nasprotju s stabilno obliko (4He), ki ima dva nevtrona in dva protona.
Naslednji korak je šibka interakcija. Zaradi presežka protonov se eden od njih podvrže beta razpadu. Po tem druge reakcije, vključno z vmesno tvorbo in fuzijo 3He, sčasoma tvorijo stabilen 4He.
