A gyenge erő egyike annak a négy alapvető erőnek, amelyek az univerzumban minden anyagot irányítanak. A másik három a gravitáció, az elektromágnesesség és az erős erő. Míg más erők tartják össze a dolgokat, egy gyenge erő nagy szerepet játszik lebontásukban.
A gyenge erő erősebb, mint a gravitáció, de csak nagyon kis távolságokon hatásos. Az Erő szubatomi szinten működik, és kritikus szerepet játszik a csillagok energiaellátásában és az elemek létrehozásában. Ez felelős a világegyetem természetes sugárzásának nagy részéért is.
Fermi-elmélet
Enrico Fermi olasz fizikus 1933-ban kidolgozott egy elméletet a béta-bomlás magyarázatára, a neutron protonná történő átalakításának és egy elektron kilökésének folyamatára, amelyet ebben az összefüggésben gyakran béta-részecskeként emlegetnek. Egy új típusú erőt azonosított, az úgynevezett gyenge erőt, amely felelős a bomlásért, a neutronok protonná, neutrínóvá és elektronná történő átalakulásának alapvető folyamatáért, amelyet később antineutrínóként azonosítottak.
Fermi eredetilegfeltételezte, hogy nulla a távolság és a tapadás. A két részecskének érintkeznie kellett ahhoz, hogy az erő működjön. Azóta kiderült, hogy a gyenge erő valójában egy vonzó erő, amely rendkívül rövid távolságon, a proton átmérőjének 0,1%-ával egyenlő.
Elektromos gyenge erő
Radioaktív bomlás esetén a gyenge erő körülbelül 100 000-szer kisebb, mint az elektromágneses erő. Azonban ma már ismert, hogy lényegében megegyezik az elektromágnesessel, és e két látszólag különálló jelenségről úgy gondolják, hogy egyetlen elektrogyenge erő megnyilvánulása. Ezt megerősíti az a tény is, hogy 100 GeV-nál nagyobb energiákon egyesülnek.
Néha azt mondják, hogy a gyenge kölcsönhatás a molekulák bomlásában nyilvánul meg. Az intermolekuláris erők azonban elektrosztatikus jellegűek. Van der Waals fedezte fel őket, és az ő nevét viselik.
Szabványmodell
A fizikában a gyenge kölcsönhatás része a szabványos modellnek – az elemi részecskék elméletének, amely elegáns egyenletekkel írja le az anyag alapvető szerkezetét. E modell szerint az elemi részecskék, vagyis azok, amelyek nem oszthatók kisebb részekre, a világegyetem építőkövei.
E részecskék egyike a kvark. A tudósok nem feltételezik semmi kevesebb létezését, de még mindig keresik. A kvarknak 6 fajtája vagy fajtája létezik. Tegyük sorba őkettömegnövekedés:
- top;
- alsó;
- furcsa;
- elvarázsolt;
- aranyos;
- igaz.
Különböző kombinációkban sokféle szubatomi részecskét alkotnak. Például a protonok és a neutronok - az atommag nagy részecskéi - mindegyik három kvarkból áll. A felső kettő és az alsó egy protont alkot. A felső és a két alsó neutront alkot. A kvark fajtájának megváltoztatása a protont neutronná változtathatja, ezáltal az egyik elem egy másikká alakul.
Az elemi részecskék egy másik típusa a bozon. Ezek a részecskék kölcsönhatáshordozók, amelyek energianyalábokból állnak. A fotonok a bozonok egyik fajtája, a gluonok egy másik típus. E négy erő mindegyike a kölcsönhatáshordozók cseréjének eredménye. Az erős kölcsönhatást a gluon, az elektromágneses kölcsönhatást a foton végzi. A graviton elméletileg a gravitáció hordozója, de nem találták meg.
W- és Z-bozonok
A gyenge kölcsönhatást a W- és Z-bozonok hordozzák. Ezeket a részecskéket a Nobel-díjas Steven Weinberg, Sheldon Salam és Abdus Gleshow jósolta meg az 1960-as években, és 1983-ban fedezték fel az Európai Nukleáris Kutatási Szervezetben, a CERN-ben.
W-bozonok elektromosan töltöttek, és a W+ (pozitív töltésű) és W- (negatív töltésű) szimbólumokkal jelöljük. A W-bozon megváltoztatja a részecskék összetételét. Az elektromosan töltött W-bozon kibocsátásával a gyenge erő megváltoztatja a kvark fajtáját, protont hozva létreneutronba, vagy fordítva. Ez okozza a magfúziót és a csillagok égését.
Ez a reakció nehezebb elemeket hoz létre, amelyeket a szupernóva-robbanások végül az űrbe dobnak, hogy bolygók, növények, emberek és minden más építőköveivé váljanak a Földön.
Semleges áram
A Z-bozon semleges, és gyenge semleges áramot vezet. A részecskékkel való kölcsönhatása nehezen észlelhető. A W- és Z-bozonok kísérleti kutatása az 1960-as években egy olyan elmélethez vezette a tudósokat, amely az elektromágneses és a gyenge erőket egyetlen "elektromos hullámban" egyesíti. Az elmélet azonban megkövetelte, hogy a hordozó részecskék súlytalanok legyenek, és a tudósok tudták, hogy elméletileg a W-bozonnak nehéznek kell lennie ahhoz, hogy megmagyarázza rövid hatótávolságát. A teoretikusok a W tömeget a Higgs-mechanizmusnak nevezett láthatatlan mechanizmusnak tulajdonították, amely biztosítja a Higgs-bozon létezését.
2012-ben a CERN arról számolt be, hogy a világ legnagyobb gyorsítóját, a Large Hadron Collidert használó tudósok „a Higgs-bozonnak megfelelő” új részecskét figyeltek meg.
Béta-bomlás
A gyenge kölcsönhatás a β-bomlásban nyilvánul meg – abban a folyamatban, amelyben a proton neutronná alakul, és fordítva. Ez akkor fordul elő, amikor egy túl sok neutront vagy protont tartalmazó atommagban az egyik átalakul egy másikká.
Béta-bomlás kétféleképpen fordulhat elő:
- Mínusz-béta-bomlásban, néha így írjákβ− -bomlás, a neutron protonra, antineutrínóra és elektronra hasad.
- A gyenge kölcsönhatás az atommagok bomlásában nyilvánul meg, amelyet néha β+-bomlásként írnak le, amikor egy proton neutronra, neutrínóra és pozitronra hasad.
Az egyik elem átalakulhat egy másikká, ha az egyik neutronja spontán protonná alakul a mínusz-béta bomlás következtében, vagy amikor az egyik protonja spontán neutronná alakul át β+-bomlás.
Kettős béta-bomlás akkor következik be, amikor az atommagban lévő 2 proton egyidejűleg 2 neutronná alakul, vagy fordítva, ami 2 elektron-antineutrínó és 2 béta-részecske kibocsátását eredményezi. Egy hipotetikus neutrínó nélküli kettős béta-bomlás során nem keletkeznek neutrínók.
Elektronikus rögzítés
Egy proton neutronná alakulhat az elektronbefogásnak vagy K-befogásnak nevezett folyamat révén. Ha az atommag több protonnal rendelkezik a neutronok számához képest, úgy tűnik, hogy a belső elektronhéj elektronja az atommagba esik. A pálya elektronját az anyamag fogja be, melynek termékei a leánymag és a neutrínó. Az így létrejövő leánymag rendszáma 1-gyel csökken, de a protonok és neutronok összszáma változatlan marad.
Fúziós reakció
A gyenge erő részt vesz a magfúzióban, abban a reakcióban, amely a napot és a fúziós (hidrogén-)bombákat működteti.
A hidrogénfúzió első lépése a kettő ütközéseprotonok, amelyek elegendő erővel képesek legyőzni az elektromágneses kölcsönhatásuk miatt tapaszt alt kölcsönös taszítást.
Ha mindkét részecske közel van egymáshoz, erős kölcsönhatás kötheti meg őket. Ez a hélium instabil formáját hozza létre (2He), amelynek két protonból álló magja van, szemben a stabil formával (4He), amelynek két neutronja és két protonja van.
A következő lépés a gyenge interakció. A protontöbblet miatt az egyik béta-bomláson megy keresztül. Ezt követően más reakciók, köztük a közbenső képződés és fúzió 3Ő, végül stabil 4Ő.
