Den svake kraften er en av de fire grunnleggende kreftene som styrer all materie i universet. De tre andre er gravitasjon, elektromagnetisme og den sterke kraften. Mens andre krefter holder ting sammen, spiller den svake kraften en stor rolle i å bryte dem ned.

Den svake kraften er sterkere enn tyngdekraften, men den er bare effektiv på svært små avstander. Kraften opererer på subatomært nivå og spiller en kritisk rolle i å drive stjerner og skape elementene. Det er også ansvarlig for det meste av den naturlige strålingen i universet.

Fermi teori

Den italienske fysikeren Enrico Fermi utviklet en teori i 1933 for å forklare beta-forfall, prosessen med at et nøytron blir til et proton og fortrenger et elektron, ofte kalt en beta-partikkel i denne sammenhengen. Han identifiserte en ny type kraft, den såkalte svake kraften, som var ansvarlig for forfall, den grunnleggende prosessen med å gjøre et nøytron om til et proton, nøytrino og elektron, som senere ble definert som en antinøytrino.

Fermi antok opprinnelig at det var null avstand og null samhold. De to partiklene måtte berøres for at kraften skulle virke. Det har siden blitt oppdaget at den svake kraften faktisk er en kraft som manifesterer seg over en ekstremt kort avstand, lik 0,1 % av protondiameteren.

Elektrosvak kraft

Det første trinnet i hydrogenfusjon er kollisjonen av to protoner med tilstrekkelig kraft til å overvinne den gjensidige frastøtingen de opplever på grunn av deres elektromagnetiske interaksjon.

Hvis begge partiklene plasseres nær hverandre, kan en sterk kraft binde dem sammen. Dette skaper en ustabil form av helium (2 He), som har en kjerne med to protoner, i motsetning til en stabil form (4 He), som har to nøytroner og to protoner.

På neste trinn spiller svak interaksjon inn. På grunn av en overflod av protoner, gjennomgår en av dem beta-forfall. Etter dette danner andre reaksjoner, inkludert mellomdannelse og fusjon av 3He, til slutt stabil 4He.

Feynman-diagrammet over beta-nedbrytningen av et nøytron til et proton, elektron og elektron antineutrino gjennom det mellomliggende W-bosonet er en av de fire grunnleggende fysiske interaksjonene mellom elementærpartikler, sammen med gravitasjons-, elektromagnetisk og sterk. Dens mest kjente manifestasjon er beta-forfall og radioaktiviteten forbundet med det. Interaksjon navngitt svak, siden styrken til feltet som tilsvarer det er 10 13 mindre enn i feltene som holder atompartikler (nukleoner og kvarker) sammen og 10 10 mindre enn Coulomb-en på disse skalaene, men mye sterkere enn gravitasjonsskalaen. Samspillet har kort rekkevidde og vises bare på avstander i størrelsesorden atomkjernens størrelse.
Den første teorien om svak interaksjon ble foreslått av Enrico Fermi i 1930. Da han utviklet teorien, brukte han Wolfgang Paulis hypotese om eksistensen av en ny elementær partikkel, nøytrinoen, på den tiden.
Den svake interaksjonen beskriver de prosessene i kjernefysikk og partikkelfysikk som skjer relativt sakte, i motsetning til de raske prosessene forårsaket av den sterke interaksjonen. For eksempel er halveringstiden til et nøytron omtrent 16 minutter. – Evighet sammenlignet med kjernefysiske prosesser, som er preget av en tid på 10 -23 s.
Til sammenligning, ladede pioner? ± forfall gjennom svak interaksjon og har en levetid på 2,6033 ± 0,0005 x 10 -8 s, mens den nøytrale pion? 0 henfaller til to gammastråler gjennom elektromagnetisk interaksjon og har en levetid på 8,4 ± 0,6 x 10 -17 s.
Et annet kjennetegn ved interaksjon er den frie banen til partikler i et stoff. Partikler som interagerer gjennom elektromagnetisk interaksjon - ladede partikler, gammakvanter - kan holdes tilbake av en flere titalls centimeter tykk jernplate. Mens en nøytrino, som bare samhandler svakt, passerer gjennom et lag av metall en milliard kilometer tykt uten noen gang å kollidere.
Den svake interaksjonen involverer kvarker og leptoner, inkludert nøytrinoer. I dette tilfellet endres aromaen til partiklene, dvs. deres type. For eksempel, som et resultat av forfallet til et nøytron, blir en av d-kvarkene til en u-kvark. Nøytrinoer er unike ved at de samhandler med andre partikler bare gjennom svake, og enda svakere, gravitasjonsinteraksjoner.
I følge moderne konsepter, formulert i standardmodellen, bæres den svake interaksjonen av gauge W- og Z-bosoner, som ble oppdaget ved akseleratorer i 1982. Massene deres er 80 og 90 ganger massen til et proton. Utvekslingen av virtuelle W-bosoner kalles en ladet strøm, utvekslingen av Z-bosoner kalles en nøytral strøm.
Toppunktene til Feynman-diagrammer som beskriver mulige prosesser som involverer gauge W- og Z-bosoner, kan deles inn i tre typer:

Et lepton kan viprominite eller absorbere et W-boson og bli til et nøytrino;
en kvark kan viprominite eller absorbere et W-boson, og endre smaken og bli en superposisjon av andre kvarker;
en lepton eller kvark kan absorbere eller viprominere et Z-boson

En partikkels evne til å samhandle svakt er beskrevet av et kvantenummer kalt svakt isospin. Mulige isospinverdier for partikler som kan utveksle W- og Z-bosoner er ± 1/2. Det er disse partiklene som samhandler gjennom den svake interaksjonen. Partikler med null svak isospin, for hvilke prosessene for utveksling av W- og Z-bosoner er umulige, samhandler ikke gjennom svak gjensidighet. Svak isospin er bevart i reaksjoner mellom elementærpartikler. Dette betyr at det totale svake isospinet til alle partikler som deltar i reaksjonen forblir uendret, selv om partikkeltypene kan endre seg.
Et trekk ved den svake interaksjonen er at den bryter med paritet, siden bare fermioner med venstrehendt chiralitet og antipartikler av fermioner med høyrehendt chiralitet har evnen til å samhandle svakt gjennom ladede strømmer. Ikke-konservering av paritet i svake interaksjoner ble oppdaget av Yang Zhenning og Li Zhengdao, som de mottok Nobelprisen i fysikk for 1957. Årsaken til ikke-konservering av paritet sees ved spontan symmetribrudd. I standardmodellen tilsvarer symmetribrudd en hypotetisk partikkel, Higgs-bosonet. Dette er den eneste partikkelen i den ordinære modellen som ennå ikke er oppdaget eksperimentelt.
Ved svak interaksjon brytes også CP-symmetri. Dette bruddet ble oppdaget eksperimentelt i 1964 i eksperimenter med kaon. Forfatterne av oppdagelsen, James Cronin og Val Fitch, ble tildelt Nobelprisen i 1980. CP-symmetribrudd forekommer mye sjeldnere enn paritetsbrudd. Det betyr også, siden bevaring av CPT-symmetri er basert på grunnleggende fysiske prinsipper - Lorentz-transformasjoner og kortdistanseinteraksjon, muligheten for å bryte T-symmetri, dvs. ikke-invarians av fysiske prosesser med hensyn til endringer i tidens retning.

I 1969 ble det konstruert en enhetlig teori om elektromagnetisk og svak kjernefysisk interaksjon, ifølge hvilken ved energier på 100 GeV, som tilsvarer en temperatur på 10 15 K, forsvinner forskjellen mellom elektromagnetiske og svake prosesser. Eksperimentell verifisering av den enhetlige teorien om elektrosvak og sterk kjernefysisk interaksjon krever en økning i akseleratorenergien med hundre milliarder ganger.
Teorien om elektrosvak interaksjon er basert på SU(2) symmetrigruppen.
Til tross for sin lille størrelse og korte varighet, spiller det svake samspillet en svært viktig rolle i naturen. Hvis det var mulig å "slå av" den svake interaksjonen, ville solen gå ut, siden prosessen med å konvertere et proton til et nøytron, et positron og et nøytrino, som et resultat av at 4 protoner blir til 4 He, to positroner og to nøytrinoer, ville bli umulig. Denne prosessen fungerer som den viktigste energikilden for solen og de fleste stjerner (se Hydrogen syklus). Svake interaksjonsprosesser er viktige for utviklingen av stjerner, siden de forårsaker energitapet til veldig varme stjerner i supernovaeksplosjoner med dannelse av pulsarer, etc. Hvis det ikke var noe svakt samspill i naturen, ville myoner, pi-mesoner og andre partikler vært stabile og utbredt i vanlig materie. En så viktig rolle for den svake interaksjonen skyldes det faktum at den ikke overholder en rekke forbud som er karakteristiske for de sterke og elektromagnetiske interaksjonene. Spesielt gjør den svake interaksjonen ladede leptoner til nøytrinoer, og kvarker av en smak til kvarker av en annen.

Svak interaksjon

Fysikken har beveget seg sakte mot å identifisere eksistensen av den svake interaksjonen. Den svake kraften er ansvarlig for partikkelforfall; og derfor ble dens manifestasjon konfrontert med oppdagelsen av radioaktivitet og studiet av beta-forfall.

Beta-forfall har avslørt en ekstremt merkelig funksjon. Forskning førte til konklusjonen at dette forfallet så ut til å bryte en av fysikkens grunnleggende lover - loven om bevaring av energi. Det virket som om en del av energien forsvant et sted. For å "redde" loven om bevaring av energi, foreslo W. Pauli at under beta-forfall flyr en annen partikkel ut sammen med elektronet og tar med seg den manglende energien. Den er nøytral og har en uvanlig høy penetrasjonsevne, som et resultat av at den ikke kunne observeres. E. Fermi kalte den usynlige partikkelen "nøytrino".

Men å forutsi nøytrinoer er bare begynnelsen på problemet, dets formulering. Det var nødvendig å forklare naturen til nøytrinoer, men det gjensto mye mystikk her. Faktum er at elektroner og nøytrinoer ble sendt ut av ustabile kjerner. Men det er ugjendrivelig bevist at det ikke er slike partikler inne i kjerner. Om deres forekomst ble det antydet at elektroner og nøytrinoer ikke eksisterer i kjernen i en "ferdig laget form", men på en eller annen måte dannes fra energien til den radioaktive kjernen. Ytterligere studier viste at nøytronene som inngår i kjernen, overlatt til seg selv, etter noen minutter forfaller til et proton, elektron og nøytrino, dvs. i stedet for én partikkel dukker det opp tre nye. Analysen førte til konklusjonen at kjente krefter ikke kunne forårsake en slik oppløsning. Den ble tilsynelatende generert av en annen, ukjent styrke. Forskning har vist at denne kraften tilsvarer en viss svak interaksjon.

Den svake interaksjonen er betydelig mindre i omfang enn alle interaksjoner unntatt gravitasjonsinteraksjon, og i systemer der den er tilstede, overskygges effekten av de elektromagnetiske og sterke interaksjonene. I tillegg forplanter det svake samspillet seg over svært små avstander. Radiusen til den svake interaksjonen er veldig liten. Den svake interaksjonen stopper i en avstand større enn 10-16 cm fra kilden, og derfor kan den ikke påvirke makroskopiske objekter, men begrenses til mikrokosmos, subatomære partikler. Da den skredlignende oppdagelsen av mange ustabile subnukleære partikler begynte, ble det oppdaget at de fleste av dem deltar i svake interaksjoner.

Sterk interaksjon

Den siste i rekken av grunnleggende interaksjoner er den sterke interaksjonen, som er en kilde til enorm energi. Det mest typiske eksemplet på energi som frigjøres av den sterke interaksjonen er solen. I dypet av solen og stjernene skjer det kontinuerlig termonukleære reaksjoner, forårsaket av sterke interaksjoner. Men mennesket har også lært å frigjøre sterke interaksjoner: en hydrogenbombe er laget, teknologier for kontrollerte termonukleære reaksjoner er designet og forbedret.

Fysikk kom til ideen om eksistensen av sterk interaksjon under studiet av strukturen til atomkjernen. Noen kraft må holde de positivt ladede protonene i kjernen, og hindre dem i å fly bort under påvirkning av elektrostatisk frastøtning. Tyngdekraften er for svak til å gi dette; Åpenbart er en slags interaksjon nødvendig, dessuten sterkere enn elektromagnetisk. Det ble senere oppdaget. Det viste seg at selv om den sterke interaksjonen betydelig overstiger alle andre fundamentale interaksjoner i sin størrelse, føles den ikke utenfor kjernen. Som i tilfellet med den svake interaksjonen, viste virkningsradiusen til den nye kraften seg å være veldig liten: den sterke interaksjonen manifesterer seg i en avstand bestemt av størrelsen på kjernen, dvs. ca. 10-13 cm I tillegg viste det seg at ikke alle partikler opplever sterk interaksjon. Dermed opplever protoner og nøytroner det, men elektroner, nøytrinoer og fotoner er ikke underlagt det. Vanligvis deltar bare tunge partikler i sterke interaksjoner. Det er ansvarlig for dannelsen av kjerner og mange interaksjoner av elementære partikler.

Den teoretiske forklaringen på karakteren av det sterke samspillet har vært vanskelig å utvikle. Et gjennombrudd dukket opp først på begynnelsen av 60-tallet, da kvarkmodellen ble foreslått. I denne teorien betraktes nøytroner og protoner ikke som elementære partikler, men som sammensatte systemer bygget av kvarker.

I grunnleggende fysiske interaksjoner er forskjellen mellom langdistanse- og kortdistansekrefter tydelig synlig. På den ene siden, interaksjoner med en ubegrenset radius (tyngdekraft, elektromagnetisme), og på den andre med en liten radius (sterk og svak). Verdenen av fysiske prosesser utspiller seg innenfor grensene til disse to polaritetene og er legemliggjørelsen av enheten til det ekstremt lille og det ekstremt store - kortdistansehandlinger i mikroverdenen og langdistansehandlinger i hele universet.

Den svake kraften, eller den svake kjernekraften, er en av de fire grunnleggende kreftene i naturen. Det er spesielt ansvarlig for beta-nedbrytningen av kjernen. Denne interaksjonen kalles svak, siden de to andre interaksjonene som har betydning for kjernefysikk (sterk og elektromagnetisk) er preget av mye større intensitet. Imidlertid er den mye sterkere enn den fjerde av de grunnleggende interaksjonene, gravitasjons. Denne interaksjonen er den svakeste av de fundamentale interaksjonene som er observert eksperimentelt i forfall av elementærpartikler, der kvanteeffekter er fundamentalt signifikante. Kvantemanifestasjoner av gravitasjonsinteraksjon har aldri blitt observert. Svak interaksjon skilles ut ved å bruke følgende regel: hvis en elementær partikkel kalt en nøytrino (eller antinøytrino) deltar i interaksjonsprosessen, er denne interaksjonen svak.

Et typisk eksempel på den svake interaksjonen er beta-forfallet til et nøytron

hvor n er et nøytron, p er et proton, e- er et elektron, e er et elektron antinøytrino.

Man bør imidlertid huske på at regelen ovenfor slett ikke betyr at enhver handling av svak interaksjon må ledsages av en nøytrino eller antinøytrino. Det er kjent at et stort antall nøytrinolløse forfall forekommer. Som et eksempel kan vi merke oss prosessen med forfall av et lambda-hyperon til et p-proton og et negativt ladet pion. I følge moderne konsepter er ikke nøytronet og protonet egentlig elementærpartikler, men består av elementærpartikler kalt kvarker.

Intensiteten til den svake interaksjonen er preget av Fermi-koblingskonstanten GF. GF-konstanten er dimensjonal. For å danne en dimensjonsløs mengde er det nødvendig å bruke noe referansemasse, for eksempel protonmassen mp. Da blir den dimensjonsløse koblingskonstanten

Det kan sees at den svake interaksjonen er mye mer intens enn gravitasjonsinteraksjonen.

Den svake interaksjonen, i motsetning til gravitasjonsinteraksjonen, er kortdistanse. Det betyr at den svake kraften mellom partiklene først spiller inn dersom partiklene er nærme nok hverandre. Hvis avstanden mellom partiklene overskrider en viss verdi som kalles den karakteristiske interaksjonsradius, manifesterer ikke den svake interaksjonen seg. Det er eksperimentelt fastslått at den karakteristiske radiusen for svak interaksjon er omtrent 10-15 cm, det vil si at svak interaksjon er konsentrert til avstander mindre enn størrelsen på atomkjernen. Selv om den svake interaksjonen er betydelig konsentrert i kjernen, har den visse makroskopiske manifestasjoner. I tillegg spiller den svake interaksjonen en viktig rolle i de såkalte termonukleære reaksjonene som er ansvarlige for mekanismen for energifrigjøring i stjerner. Den mest fantastiske egenskapen til den svake interaksjonen er eksistensen av prosesser der speilasymmetri er manifestert. Ved første øyekast virker det åpenbart at forskjellen mellom begrepene venstre og høyre er vilkårlig. Faktisk er prosessene med gravitasjon, elektromagnetisk og sterk interaksjon invariante med hensyn til romlig inversjon, som utfører speilrefleksjon. Det sies at i slike prosesser er den romlige pariteten P bevart. Imidlertid er det eksperimentelt fastslått at svake prosesser kan fortsette med ikke-konservering av romlig paritet og ser derfor ut til å føle forskjellen mellom venstre og høyre. For tiden er det solide eksperimentelle bevis på at paritets-ikke-konservering i svake interaksjoner er universell i naturen, det manifesterer seg ikke bare i forfall av elementære partikler, men også i kjernefysiske og til og med atomfenomener. Det bør erkjennes at speilasymmetri er en egenskap ved naturen på det mest grunnleggende nivået.

Andre artikler:

stater
I 1932 ble proton-nøytronen Ivanenko-Heisenberg-modellen foreslått. Kjerner med samme ladning og forskjellige masser kalles isotoper. 75 % 25 % naturlig klor. Kjerner med samme massetall, men forskjellige ladninger...

Kjemisk sammensetning og fysisk-kjemiske egenskaper til DNA
DNA er polybasiske sterke syrer, hvis alkaliske salter danner svært tyktflytende gjennomsiktige kolloide løsninger i vann som stivner ved konsentrasjoner over 0,25 %. DNA-løsninger er preget av unormal (strukturell) viskositet...

To-trinns dyp semi-flow prosess
I den første fermenteringsbeholderen formerer seg bakterier. Noe av innholdet fra den første gjæringsbeholderen pumpes inn i den andre, hvor gjæringen er fullført. Frisk vørter legges til den første gjæringsbeholderen, og innholdet i den andre helles helt ut. Dikter...

Svak interaksjon.

Fysikken har beveget seg sakte mot å identifisere eksistensen av den svake interaksjonen. Den svake interaksjonen er ansvarlig for partikkelforfall. Derfor ble dens manifestasjon oppdaget under oppdagelsen av radioaktivitet og studiet av beta-forfall (se 8.1.5).

Beta-forfall har avslørt en ekstremt merkelig funksjon. Det så ut til at i dette forfallet ble loven om bevaring av energi brutt, at en del av energien forsvant et sted. For å "redde" loven om bevaring av energi, foreslo W. Pauli at under beta-forfall flyr en annen partikkel ut sammen med elektronet og tar med seg den manglende energien. Den er nøytral og har en uvanlig høy penetrasjonsevne, som et resultat av at den ikke kunne observeres. E. Fermi kalte den usynlige partikkelen "nøytrino".

Men å forutsi nøytrinoer er bare begynnelsen på problemet, dets formulering. Det var nødvendig å forklare nøytrinoenes natur; det forble mye mystikk her. Faktum er at elektroner og nøytrinoer ble sendt ut av ustabile kjerner, men det var kjent at det ikke fantes slike partikler inne i kjernene. Hvordan oppsto de? Det viste seg at nøytronene som er inkludert i kjernen, overlatt til seg selv, etter noen minutter forfaller til et proton, elektron og nøytrino. Hvilke krefter forårsaker slik oppløsning? Analysen viste at kjente krefter ikke kan forårsake en slik oppløsning. Det ble tilsynelatende generert av en annen, ukjent kraft, som tilsvarer en "svak interaksjon".

Den svake interaksjonen er mye mindre i omfang enn alle interaksjoner bortsett fra gravitasjonsinteraksjon. Der den er tilstede, overskygges effekten av de elektromagnetiske og sterke interaksjonene. I tillegg strekker det svake samspillet seg over svært små avstander. Radiusen for svak interaksjon er veldig liten (10-16 cm). Derfor kan den ikke påvirke ikke bare makroskopiske, men til og med atomære objekter og er begrenset til subatomære partikler. I tillegg, sammenlignet med de elektromagnetiske og sterke interaksjonene, er den svake interaksjonen ekstremt langsom.

Da den skredlignende oppdagelsen av mange ustabile subnukleære partikler begynte, ble det oppdaget at de fleste av dem deltar i svake interaksjoner. Det svake samspillet spiller en svært viktig rolle i naturen. Det er en integrert del av termonukleære reaksjoner i solen og stjernene, og gir syntese av pulsarer, supernovaeksplosjoner, syntese av kjemiske elementer i stjerner, etc.