Zayıf kuvvet, Evrendeki tüm maddeyi yöneten dört temel kuvvetten biridir. Diğer üçü ise yerçekimi, elektromanyetizma ve güçlü kuvvettir. Diğer kuvvetler bir şeyleri bir arada tutarken, zayıf kuvvet onları parçalamada büyük rol oynar.

Zayıf kuvvet yerçekiminden daha güçlüdür ancak yalnızca çok küçük mesafelerde etkilidir. Kuvvet atom altı düzeyde çalışır ve yıldızlara güç verilmesinde ve elementlerin yaratılmasında kritik bir rol oynar. Aynı zamanda Evrendeki doğal radyasyonun çoğundan da sorumludur.

Fermi teorisi

İtalyan fizikçi Enrico Fermi, 1933'te beta bozunmasını, yani bir nötronun protona dönüşmesi ve bir elektronun yerini alması sürecini açıklamak için bir teori geliştirdi; buna bu bağlamda genellikle beta parçacığı adı verilir. Zayıf kuvvet adı verilen ve daha sonra antinötrino olarak tanımlanacak olan bir nötronun protona, nötrinoya ve elektrona dönüşmesinin temel süreci olan bozunmadan sorumlu olan yeni bir kuvvet türü belirledi.

Fermi başlangıçta sıfır mesafe ve sıfır uyum olduğunu varsaydı. Kuvvetin işe yaraması için iki parçacığın birbirine temas etmesi gerekiyordu. O zamandan beri, zayıf kuvvetin aslında proton çapının %0,1'ine eşit, son derece kısa bir mesafede kendini gösteren bir kuvvet olduğu keşfedildi.

Elektrozayıf kuvvet

Hidrojen füzyonunun ilk adımı, iki protonun, elektromanyetik etkileşimleri nedeniyle yaşadıkları karşılıklı itmeyi aşmaya yetecek kuvvetle çarpışmasıdır.

Her iki parçacık da birbirine yakın yerleştirilirse, güçlü bir kuvvet onları birbirine bağlayabilir. Bu, iki nötron ve iki protona sahip kararlı bir formun (4 He) aksine, iki protonlu bir çekirdeğe sahip olan helyumun kararsız bir formunu (2 He) oluşturur.

Bir sonraki aşamada zayıf etkileşim devreye giriyor. Protonların aşırı bolluğu nedeniyle bunlardan biri beta bozunmasına uğrar. Bundan sonra, ara madde oluşumu ve 3He'nin füzyonu dahil olmak üzere diğer reaksiyonlar sonunda kararlı 4He'yi oluşturur.

Bir nötronun ara W bozonu yoluyla bir proton, elektron ve elektron antinötrinoya beta bozunmasını gösteren Feynman diyagramı, yerçekimi, elektromanyetik ve güçlü ile birlikte temel parçacıklar arasındaki dört temel fiziksel etkileşimden biridir. En iyi bilinen tezahürü beta bozunması ve onunla ilişkili radyoaktivitedir. Etkileşim adı zayıf,çünkü buna karşılık gelen alanın gücü, nükleer parçacıkları (nükleonlar ve kuarklar) bir arada tutan alanlardan 10 13 daha az ve bu ölçeklerdeki Coulomb'dan 10 10 daha az, ancak yerçekiminden çok daha güçlü. Etkileşim kısa bir menzile sahiptir ve yalnızca atom çekirdeğinin boyutu kadar mesafelerde ortaya çıkar.
Zayıf etkileşimin ilk teorisi 1930'da Enrico Fermi tarafından önerildi. Teoriyi geliştirirken Wolfgang Pauli'nin o dönemde yeni bir temel parçacığın, nötrinonun varlığına ilişkin hipotezini kullandı.
Zayıf etkileşim, nükleer ve parçacık fiziğinde, güçlü etkileşimin neden olduğu hızlı süreçlerin aksine, nispeten yavaş meydana gelen süreçleri tanımlar. Örneğin bir nötronun yarı ömrü yaklaşık 16 dakikadır. – 10-23 saniyelik bir süre ile karakterize edilen nükleer süreçlerle karşılaştırıldığında sonsuzluk.
Karşılaştırma için yüklü pionlar mı? ± zayıf etkileşim yoluyla bozunur ve 2,6033 ± 0,0005 x 10 -8 s'lik bir ömre sahiptir, halbuki nötr pion? 0, elektromanyetik etkileşim yoluyla iki gama ışınına bozunur ve 8,4 ± 0,6 x 10 -17 s'lik bir ömrü vardır.
Etkileşimin bir başka özelliği de madde içindeki parçacıkların serbest yoludur. Elektromanyetik etkileşim yoluyla etkileşime giren parçacıklar (yüklü parçacıklar, gama kuantumu) onlarca santimetre kalınlığındaki bir demir plaka tarafından tutulabilir. Oysa çok zayıf etkileşime giren nötrino, milyarlarca kilometre kalınlığındaki bir metal tabakasının içinden hiç çarpışmadan geçebilir.
Zayıf etkileşim, nötrinolar da dahil olmak üzere kuarkları ve leptonları içerir. Bu durumda parçacıkların aroması değişir; onların türü. Örneğin bir nötronun bozunması sonucunda d-kuarklarından biri u-kuarkına dönüşür. Nötrinolar, diğer parçacıklarla yalnızca zayıf ve hatta daha zayıf yerçekimsel etkileşimler yoluyla etkileşime girmeleri bakımından benzersizdir.
Standart Model'de formüle edilen modern kavramlara göre, zayıf etkileşim, 1982 yılında hızlandırıcılarda keşfedilen ayar W- ve Z-bosonları tarafından taşınmaktadır. Kütleleri protonun kütlesinin 80 ve 90 katıdır. Sanal W bozonlarının değişimine yüklü akım, Z bozonlarının değişimine nötr akım denir.
Ayar W- ve Z-bosonlarını içeren olası süreçleri açıklayan Feynman diyagramlarının köşeleri üç türe ayrılabilir:

Bir lepton, bir W bozonunu viprominite edebilir veya absorbe edebilir ve bir nötrinoya dönüşebilir;
bir kuark, bir W bozonunu viprominite edebilir veya soğurabilir ve tadını değiştirerek diğer kuarkların süperpozisyonuna dönüşebilir;
bir lepton veya kuark bir Z-bosonunu absorbe edebilir veya viprominite edebilir

Bir parçacığın zayıf etkileşime girme yeteneği, zayıf izospin adı verilen bir kuantum sayısıyla tanımlanır. W ve Z bozonlarını değiştirebilen parçacıklar için olası izospin değerleri ± 1/2'dir. Zayıf etkileşim yoluyla etkileşenler bu parçacıklardır. W ve Z bozonlarının değişim süreçlerinin imkansız olduğu sıfır zayıf izospini olan parçacıklar, zayıf karşılıklılık yoluyla etkileşime girmez. Temel parçacıklar arasındaki reaksiyonlarda zayıf izospin korunur. Bu, parçacık türleri değişse de, reaksiyona katılan tüm parçacıkların toplam zayıf izospininin değişmeden kaldığı anlamına gelir.
Zayıf etkileşimin bir özelliği, pariteyi ihlal etmesidir, çünkü yalnızca solak kiraliteye sahip fermiyonlar ve sağ elli kiraliteye sahip fermiyonların antipartikülleri, yüklü akımlar yoluyla zayıf bir şekilde etkileşime girme yeteneğine sahiptir. Zayıf etkileşimlerde paritenin korunmaması, Yang Zhenning ve Li Zhengdao tarafından keşfedildi ve bu sayede 1957'de Nobel Fizik Ödülü'nü aldılar. Paritenin korunmamasının nedeni kendiliğinden simetri kırılmasında görülür. Standart Modelde simetri kırılması varsayımsal bir parçacığa, Higgs bozonuna karşılık gelir. Bu, sıradan modelin henüz deneysel olarak keşfedilmemiş tek parçacığıdır.
Zayıf etkileşimle CP simetrisi de bozulur. Bu ihlal, 1964 yılında kaon ile yapılan deneylerde deneysel olarak keşfedildi. Keşfin yazarları James Cronin ve Val Fitch, 1980'de Nobel Ödülü'ne layık görüldü. CP simetri ihlali, parite ihlalinden çok daha az sıklıkta meydana geliyor. Bu aynı zamanda, CPT simetrisinin korunması temel fiziksel ilkelere (Lorentz dönüşümleri ve kısa mesafe etkileşimi) dayandığından, T-simetrisinin kırılma olasılığı, yani; fiziksel süreçlerin zamanın yönündeki değişikliklere göre değişmezliği.

1969'da, 10 15 K sıcaklığa karşılık gelen 100 GeV enerjilerde, elektromanyetik ve zayıf süreçler arasındaki farkın ortadan kalktığı birleşik bir elektromanyetik ve zayıf nükleer etkileşim teorisi oluşturuldu. Birleşik elektrozayıf ve güçlü nükleer etkileşim teorisinin deneysel olarak doğrulanması, hızlandırıcı enerjisinde yüz milyar kat artış gerektirir.
Elektrozayıf etkileşim teorisi SU(2) simetri grubuna dayanmaktadır.
Küçük boyutuna ve kısa süresine rağmen zayıf etkileşim doğada çok önemli bir rol oynar. Zayıf etkileşimi "kapatmak" mümkün olsaydı, o zaman bir protonun bir nötrona, bir pozitrona ve bir nötrinoya dönüştürülmesi sürecinden dolayı Güneş sönerdi, bunun sonucunda 4 proton 4 He'ye dönüşür, iki pozitron ve iki nötrino imkansız hale gelirdi. Bu süreç Güneş ve çoğu yıldız için ana enerji kaynağı görevi görür (bkz. Hidrojen döngüsü). Zayıf etkileşim süreçleri, pulsar vb. oluşumlarla süpernova patlamalarında çok sıcak yıldızların enerji kaybına neden oldukları için yıldızların evrimi açısından önemlidir. Doğada zayıf etkileşim olmasaydı müonlar, pi-mezonlar ve diğer parçacıklar sıradan maddede kararlı ve yaygın olurdu. Zayıf etkileşimin bu kadar önemli bir rolü, güçlü ve elektromanyetik etkileşimlerin karakteristik bir takım yasaklarına uymamasından kaynaklanmaktadır. Özellikle zayıf etkileşim, yüklü leptonları nötrinolara ve bir çeşnin kuarklarını diğerinin kuarklarına dönüştürür.

Zayıf etkileşim

Fizik, zayıf etkileşimin varlığını belirlemeye doğru yavaş yavaş ilerledi. Parçacık bozunumlarından zayıf kuvvet sorumludur; ve bu nedenle tezahürü, radyoaktivitenin keşfi ve beta bozunmasının incelenmesiyle karşı karşıya kaldı.

Beta bozunması son derece garip bir özelliği ortaya çıkardı. Araştırmalar, bu çürümenin fiziğin temel yasalarından biri olan enerjinin korunumu yasasını ihlal ettiği sonucuna vardı. Enerjinin bir kısmı bir yerlerde kayboluyormuş gibi görünüyordu. W. Pauli, enerjinin korunumu yasasını "kurtarmak" için, beta bozunması sırasında elektronla birlikte başka bir parçacığın eksik enerjiyi de alarak uçtuğunu öne sürdü. Nötrdür ve alışılmadık derecede yüksek bir nüfuz etme kabiliyetine sahiptir, dolayısıyla gözlemlenememektedir. E. Fermi görünmez parçacığa “nötrino” adını verdi.

Ancak nötrinoları tahmin etmek sorunun, formülasyonunun yalnızca başlangıcıdır. Nötrinoların doğasını açıklamak gerekiyordu ama burada hâlâ pek çok gizem vardı. Gerçek şu ki, elektronlar ve nötrinolar kararsız çekirdekler tarafından yayılıyor. Ancak çekirdeklerin içinde böyle bir parçacığın olmadığı reddedilemez bir şekilde kanıtlanmıştır. Oluşumlarıyla ilgili olarak, elektronların ve nötrinoların çekirdekte “hazır formda” bulunmadığı, bir şekilde radyoaktif çekirdeğin enerjisinden oluştuğu öne sürüldü. Daha ileri araştırmalar, çekirdeğe dahil edilen nötronların, kendi hallerine bırakıldıklarında, birkaç dakika sonra proton, elektron ve nötrinoya bozunduklarını gösterdi. bir parçacık yerine üç yeni parçacık ortaya çıkıyor. Analiz, bilinen kuvvetlerin böyle bir parçalanmaya neden olamayacağı sonucuna vardı. Görünüşe göre bilinmeyen başka bir güç tarafından üretilmiş. Araştırmalar bu kuvvetin bazı zayıf etkileşimlere karşılık geldiğini göstermiştir.

Zayıf etkileşim, kütleçekim etkileşimi dışındaki tüm etkileşimlerden büyüklük olarak önemli ölçüde daha küçüktür ve mevcut olduğu sistemlerde etkileri, elektromanyetik ve güçlü etkileşimlerin gölgesinde kalır. Ayrıca zayıf etkileşim çok küçük mesafelere yayılır. Zayıf etkileşimin yarıçapı çok küçüktür. Zayıf etkileşim, kaynaktan 10-16 cm'den daha büyük bir mesafede durur ve bu nedenle makroskobik nesneleri etkileyemez, ancak mikrokozmos, atom altı parçacıklarla sınırlıdır. Birçok kararsız nükleer altı parçacığın çığ benzeri keşfi başladığında, çoğunun zayıf etkileşimlere katıldığı keşfedildi.

Güçlü etkileşim

Temel etkileşimler serisinin sonuncusu, muazzam bir enerji kaynağı olan güçlü etkileşimdir. Güçlü etkileşim sonucu açığa çıkan enerjinin en tipik örneği Güneş'tir. Güneşin ve yıldızların derinliklerinde güçlü etkileşimlerden kaynaklanan termonükleer reaksiyonlar sürekli olarak meydana gelir. Ancak insan aynı zamanda güçlü etkileşimleri serbest bırakmayı da öğrendi: Bir hidrojen bombası yaratıldı, kontrollü termonükleer reaksiyonlara yönelik teknolojiler tasarlandı ve geliştirildi.

Fizik, atom çekirdeğinin yapısının incelenmesi sırasında güçlü etkileşimin varlığı fikrine geldi. Bir miktar kuvvetin, pozitif yüklü protonları çekirdekte tutması ve elektrostatik itmenin etkisi altında uçup gitmelerini önlemesi gerekir. Yerçekimi bunu sağlayamayacak kadar zayıftır; Açıkçası, elektromanyetikten daha güçlü bir tür etkileşim gereklidir. Daha sonra keşfedildi. Güçlü etkileşimin büyüklüğü bakımından diğer tüm temel etkileşimleri önemli ölçüde aşmasına rağmen çekirdeğin dışında hissedilmediği ortaya çıktı. Zayıf etkileşimde olduğu gibi, yeni kuvvetin etki yarıçapının çok küçük olduğu ortaya çıktı: güçlü etkileşim, çekirdeğin boyutuna göre belirlenen bir mesafede kendini gösterir; yaklaşık 10-13 cm. Ayrıca tüm parçacıkların güçlü etkileşim yaşamadığı ortaya çıktı. Böylece protonlar ve nötronlar bunu yaşar, ancak elektronlar, nötrinolar ve fotonlar buna maruz kalmaz. Genellikle yalnızca ağır parçacıklar güçlü etkileşimlere katılır. Çekirdeklerin oluşumundan ve temel parçacıkların birçok etkileşiminden sorumludur.

Güçlü etkileşimin doğasına ilişkin teorik açıklamayı geliştirmek zor olmuştur. Bir atılım ancak 60'ların başında kuark modelinin önerildiği zaman ortaya çıktı. Bu teoride nötronlar ve protonlar temel parçacıklar olarak değil, kuarklardan oluşan bileşik sistemler olarak kabul edilir.

Böylece, temel fiziksel etkileşimlerde uzun menzilli ve kısa menzilli kuvvetler arasındaki fark açıkça görülebilir. Bir yanda sınırsız yarıçaplı (yerçekimi, elektromanyetizma) ve diğer yanda küçük yarıçaplı (güçlü ve zayıf) etkileşimler. Fiziksel süreçler dünyası, bu iki kutbun sınırları içinde gelişir ve son derece küçük ve son derece büyük olanın, mikro dünyadaki kısa menzilli eylemin ve Evrendeki uzun vadeli eylemin birliğinin somutlaşmış halidir.

Zayıf kuvvet veya zayıf nükleer kuvvet, doğadaki dört temel kuvvetten biridir. Özellikle çekirdeğin beta bozunmasından sorumludur. Bu etkileşime zayıf denir, çünkü nükleer fizik için önemli olan diğer iki etkileşim (güçlü ve elektromanyetik) çok daha büyük yoğunluklarla karakterize edilir. Ancak temel etkileşimlerin dördüncüsü olan yerçekiminden çok daha güçlüdür. Bu etkileşim, kuantum etkilerinin temelde önemli olduğu temel parçacıkların bozunumlarında deneysel olarak gözlemlenen temel etkileşimlerin en zayıfıdır. Yerçekimi etkileşiminin kuantum tezahürleri hiçbir zaman gözlemlenmedi. Zayıf etkileşim aşağıdaki kural kullanılarak ayırt edilir: Etkileşim sürecine nötrino (veya antinötrino) adı verilen temel bir parçacık katılırsa, bu etkileşim zayıftır.

Zayıf etkileşimin tipik bir örneği, bir nötronun beta bozunmasıdır.

burada n bir nötron, p bir proton, e- bir elektron, e bir elektron antinötrinodur.

Bununla birlikte, yukarıdaki kuralın, herhangi bir zayıf etkileşim eylemine bir nötrino veya antinötrinonun eşlik etmesi gerektiği anlamına gelmediği akılda tutulmalıdır. Çok sayıda nötrinosuz bozunmanın meydana geldiği bilinmektedir. Örnek olarak, bir lambda hiperonunun bir p protonuna ve negatif yüklü bir pion'a bozunma sürecini not edebiliriz. Modern kavramlara göre, nötron ve proton gerçek anlamda temel parçacıklar değil, kuark adı verilen temel parçacıklardan oluşuyor.

Zayıf etkileşimin yoğunluğu Fermi birleştirme sabiti GF ile karakterize edilir. GF sabiti boyutludur. Boyutsuz bir nicelik oluşturmak için bazı referans kütlelerin (örneğin proton kütlesi mp) kullanılması gerekir. Daha sonra boyutsuz bağlantı sabiti şu şekilde olacaktır:

Zayıf etkileşimin kütleçekimsel etkileşime göre çok daha yoğun olduğu görülmektedir.

Zayıf etkileşim, yerçekimsel etkileşimin aksine kısa menzillidir. Bu, parçacıklar arasındaki zayıf kuvvetin yalnızca parçacıklar birbirine yeterince yakın olduğunda devreye gireceği anlamına gelir. Parçacıklar arasındaki mesafe, etkileşimin karakteristik yarıçapı adı verilen belirli bir değeri aşarsa, zayıf etkileşim kendini göstermez. Zayıf etkileşimin karakteristik yarıçapının yaklaşık 10-15 cm olduğu, yani zayıf etkileşimin atom çekirdeğinin boyutundan daha küçük mesafelerde yoğunlaştığı deneysel olarak tespit edilmiştir. Zayıf etkileşim önemli ölçüde çekirdekte yoğunlaşmış olmasına rağmen, bazı makroskobik belirtilere sahiptir. Ayrıca zayıf etkileşim, yıldızlarda enerji salınımı mekanizmasından sorumlu termonükleer reaksiyonlar olarak adlandırılan reaksiyonlarda önemli bir rol oynar. Zayıf etkileşimin en şaşırtıcı özelliği ayna asimetrisinin ortaya çıktığı süreçlerin varlığıdır. İlk bakışta sol ve sağ kavramları arasındaki farkın keyfi olduğu açıktır. Aslında yerçekimsel, elektromanyetik ve güçlü etkileşim süreçleri, ayna yansımasını gerçekleştiren uzaysal ters çevrilmeye göre değişmez. Bu tür süreçlerde P uzaysal paritesinin korunduğu söylenir. Ancak zayıf süreçlerin uzaysal parite korunmadan ilerleyebildiği ve bu nedenle sol ve sağ arasındaki farkı algılıyor gibi göründüğü deneysel olarak kanıtlanmıştır. Şu anda, zayıf etkileşimlerde paritenin korunumsuzluğunun doğası gereği evrensel olduğuna dair sağlam deneysel kanıtlar vardır; bu durum kendisini yalnızca temel parçacıkların bozunumlarında değil, aynı zamanda nükleer ve hatta atomik olaylarda da gösterir. Ayna asimetrisinin en temel düzeyde Doğanın bir özelliği olduğu kabul edilmelidir.

Diğer makaleler:

Devletler
1932'de proton-nötron Ivanenko-Heisenberg modeli önerildi. Aynı yüke ve farklı kütlelere sahip çekirdeklere izotop denir. %75 %25 doğal klor. Kütle numaraları aynı fakat yükleri farklı olan çekirdekler...

DNA'nın kimyasal bileşimi ve fizikokimyasal özellikleri
DNA, alkalin tuzları suda %0,25'in üzerindeki konsantrasyonlarda katılaşan çok viskoz şeffaf koloidal çözeltiler oluşturan çok bazlı güçlü asitlerdir. DNA çözeltileri anormal (yapısal) viskozite ile karakterize edilir...

İki aşamalı derin yarı akış süreci
İlk fermentörde bakteriler çoğalır. Birinci fermentördeki içeriğin bir kısmı, fermantasyonun tamamlandığı ikinci fermentöre pompalanır. Birinci fermentöre taze şıra eklenir ve ikincisinin içeriği tamamen dökülür. Şair...

Zayıf etkileşim.

Fizik, zayıf etkileşimin varlığını belirlemeye doğru yavaş yavaş ilerledi. Zayıf etkileşim parçacık bozunumlarından sorumludur. Bu nedenle, radyoaktivitenin keşfi ve beta bozunması çalışmaları sırasında bunun tezahürüne rastlanmıştır (bkz. 8.1.5).

Beta bozunması son derece garip bir özelliği ortaya çıkardı. Görünüşe göre bu çürümede enerjinin korunumu yasası ihlal edilmiş, enerjinin bir kısmı bir yerlerde kaybolmuştu. W. Pauli, enerjinin korunumu yasasını "kurtarmak" için, beta bozunması sırasında elektronla birlikte başka bir parçacığın eksik enerjiyi de alarak uçtuğunu öne sürdü. Nötrdür ve alışılmadık derecede yüksek bir nüfuz etme kabiliyetine sahiptir, dolayısıyla gözlemlenememektedir. E. Fermi görünmez parçacığa “nötrino” adını verdi.

Ancak nötrinoları tahmin etmek sorunun, formülasyonunun yalnızca başlangıcıdır. Nötrinoların doğasını açıklamak gerekliydi; burada pek çok gizem kaldı. Gerçek şu ki, elektronlar ve nötrinolar kararsız çekirdekler tarafından yayılıyor, ancak çekirdeklerin içinde bu tür parçacıkların olmadığı biliniyordu. Nasıl ortaya çıktılar? Çekirdeğe dahil olan nötronların, kendi hallerine bırakılarak birkaç dakika sonra proton, elektron ve nötrinoya bozunduğu ortaya çıktı. Bu kadar parçalanmaya hangi güçler sebep oluyor? Analiz, bilinen kuvvetlerin böyle bir parçalanmaya neden olamayacağını gösterdi. Görünüşe göre, bazı "zayıf etkileşime" karşılık gelen, bilinmeyen başka bir kuvvet tarafından üretilmişti.

Zayıf etkileşim, yerçekimi etkileşimi dışındaki tüm etkileşimlerden büyüklük olarak çok daha küçüktür. Bulunduğu yerde etkileri elektromanyetik ve güçlü etkileşimlerin gölgesinde kalır. Ayrıca zayıf etkileşim çok küçük mesafelere yayılmaktadır. Zayıf etkileşimin yarıçapı çok küçüktür (10-16 cm). Bu nedenle sadece makroskobik değil, atomik nesneleri bile etkileyemez ve atom altı parçacıklarla sınırlıdır. Ayrıca elektromanyetik ve güçlü etkileşimlerle karşılaştırıldığında zayıf etkileşim son derece yavaştır.

Birçok kararsız nükleer altı parçacığın çığ benzeri keşfi başladığında, çoğunun zayıf etkileşimlere katıldığı keşfedildi. Zayıf etkileşim doğada çok önemli bir rol oynar. Güneş ve yıldızlardaki termonükleer reaksiyonların ayrılmaz bir parçası olup pulsarların sentezini, süpernova patlamalarını, yıldızlardaki kimyasal elementlerin sentezini vb. sağlar.