Slaba sila je jedna od četiri fundamentalne 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 efikasna samo na vrlo malim udaljenostima. Sila djeluje na subatomskom nivou i igra ključnu ulogu u obezbjeđivanju energije zvijezdama i stvaranju elemenata. Također je odgovoran za većinu prirodnog zračenja u svemiru.
Fermi teorija
Italijanski fizičar Enriko Fermi razvio je teoriju 1933. da objasni beta raspad, proces pretvaranja neutrona u proton i izbacivanja elektrona, koji se u ovom kontekstu često naziva beta čestica. Identificirao je novu vrstu sile, takozvanu slabu silu, koja je odgovorna za raspad, osnovni proces transformacije neutrona u proton, neutrino i elektron, koji je kasnije identificiran kao antineutrino.
Fermi originalnopretpostavio da postoji nulta udaljenost i adhezija. Dvije čestice morale su biti u kontaktu da bi sila djelovala. Od tada je otkriveno da je slaba sila zapravo privlačna sila koja se manifestuje na izuzetno kratkoj udaljenosti, jednakoj 0,1% prečnika protona.
Elektroslaba sila
Kod radioaktivnih raspada, slaba sila je otprilike 100.000 puta manja od elektromagnetne sile. Međutim, sada je poznato da je on suštinski jednak elektromagnetnom, a smatra se da su ove dvije naizgled različite pojave manifestacije jedne elektroslabe sile. To potvrđuje i činjenica da se kombinuju pri energijama većim od 100 GeV.
Ponekad kažu da se slaba interakcija manifestuje u raspadu molekula. Međutim, intermolekularne sile su elektrostatičke prirode. Otkrio ih je van der Waals i nose njegovo ime.
Standardni model
Slaba interakcija u fizici je dio standardnog modela - teorije elementarnih čestica, koja opisuje osnovnu strukturu materije koristeći skup elegantnih jednačina. Prema ovom modelu, elementarne čestice, odnosno one koje se ne mogu podijeliti na manje dijelove, su građevni blokovi univerzuma.
Jedna od ovih čestica je kvark. Naučnici ne pretpostavljaju postojanje nečeg manjeg, ali i dalje traže. Postoji 6 vrsta ili varijanti kvarkova. Hajde da ih dovedemo u redpovećanje mase:
- top;
- niže;
- čudno;
- začarana;
- divan;
- tačno.
U raznim kombinacijama, oni formiraju mnogo različitih vrsta subatomskih čestica. Na primjer, protoni i neutroni - velike čestice atomskog jezgra - se sastoje od tri kvarka. Gornja dva i donja čine proton. Gornji i dva donja formiraju neutron. Promjena vrste kvarka može promijeniti proton u neutron, pretvarajući tako jedan element u drugi.
Drugi tip elementarnih čestica je bozon. Ove čestice su nosioci interakcije, koji se sastoje od energetskih snopova. Fotoni su jedna vrsta bozona, a gluoni druga. Svaka od ove četiri sile rezultat je razmjene nosilaca interakcije. Jaku interakciju vrši gluon, a elektromagnetsku interakciju foton. Graviton je teoretski nosilac gravitacije, ali nije pronađen.
W- i Z-bozoni
Slabu interakciju nose W- i Z-bozoni. Ove čestice su 1960-ih predvidjeli nobelovci Steven Weinberg, Sheldon Salam i Abdus Gleshow, a otkrili su ih 1983. godine u Evropskoj 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. Emitovanjem električno nabijenog W bozona, 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 sa česticama je teško otkriti. Eksperimentalne pretrage za W- i Z-bozonima 1960-ih dovele su naučnike do teorije koja kombinuje elektromagnetne i slabe sile u jednu "elektroslabu". Međutim, teorija je zahtijevala da čestice nosača budu bestežinske, a naučnici su znali da bi teoretski W bozon morao biti težak da bi objasnio njegov kratki domet. Teoretičari su pripisali masu W nevidljivom mehanizmu zvanom Higsov mehanizam, koji obezbjeđuje postojanje Higsovog bozona.
U 2012, CERN je izvijestio da su naučnici koji koriste najveći svjetski akcelerator, Veliki hadronski sudarač, primijetili novu česticu "koja odgovara Higsovom bozonu."
Beta Decay
Slaba interakcija se manifestuje u β-raspadu - procesu u kojem se proton pretvara u neutron i obrnuto. Nastaje kada se u jezgru sa previše neutrona ili protona jedan od njih pretvori u drugi.
Beta raspad se može dogoditi na jedan od dva načina:
- U minus-beta raspadu, ponekad napisano kaoβ− -raspad, neutron se razdvaja na proton, antineutrino i elektron.
- Slaba interakcija se manifestuje u raspadu atomskih jezgara, koji se ponekad piše 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 se dešava kada se 2 protona u jezgru istovremeno transformišu u 2 neutrona ili obrnuto, što rezultira emisijom 2 elektron-antineutrina i 2 beta čestice. U hipotetičkom 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 jezgro ima višak protona u odnosu na broj neutrona, elektron, po pravilu, iz unutrašnje elektronske ljuske kao da pada u jezgro. Elektron orbitale hvata matično jezgro, čiji su produkti jezgro kćer i neutrino. Atomski broj rezultirajućeg jezgra kćeri se smanjuje 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 vodonika je sudar dvajuprotoni sa dovoljnom snagom da savladaju međusobno odbijanje koje doživljavaju zbog njihove elektromagnetne interakcije.
Ako su obje čestice postavljene blizu jedna drugoj, snažna interakcija ih može vezati. Ovo stvara nestabilan oblik helijuma (2He), koji ima jezgro sa 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 srednje formiranje i fuziju 3He, na kraju formiraju stabilan 4He.
