A gyenge kölcsönhatás (más néven gyenge erő és néha gyenge atomerő ) a természet négy alapvető kölcsönhatásának egyike, a másik három elektromágneses , erős és gravitációs kölcsönhatás . Felelős a szubatomi részecskék radioaktív bomlásáért , és a csillagok magfúziójának kiindulópontja . A fermionok összes ismert kategóriáját érinti , kezdve az elektronoktól , a kvarkoktól és a neutrínóktól .
A részecskefizika standard modelljében a gyenge kölcsönhatást a W + , W - és Z 0 bozonok cseréje okozza . A legismertebb hatás a β radioaktivitás . A részecskék nagy része bomlásnak van kitéve a gyenge kölcsönhatás miatt. A W és Z bozonok nagyon nagy tömegűek , ezért nagyon rövid hatótávolságú. Ráadásul intenzitása (kapcsolási állandója) általában több nagyságrenddel alacsonyabb, mint az elektromágneses és erős kölcsönhatásoké, ami megmagyarázza nevét. A gyenge kölcsönhatásnak számos egyedi tulajdonsága van, beleértve azt a képességet, hogy megváltoztassa a kvarkok ízét, és megtörje a paritás és a CP szimmetria szimmetriáját .
A gyenge interakciót először az 1930-as években írta le Enrico Fermi , aki négyfermionos kontakt interakcióvá tette. A Fermi-kölcsönhatásnak nevezett Fermi a neutron β-bomlásának magyarázatára használta . 1947-ben is alkalmazták, amikor felfedezték a müon bomlását . Ezt követően egy nagyon rövid hatótávolságú mező formájában történő leírást részesítették előnyben. 1968-ban, az elektromágneses és a gyenge kölcsönhatást egységes, és a bemutatott két szempontból a elektrogyenge kölcsönhatás .
Β a radioaktivitás a csillagokban a nukleoszintézis kiindulópontja . Ez teszi lehetővé a szén-14 datálását azáltal, hogy a szén-14- et nitrogén-14 - vé alakítja . Radiolumineszcencia forrása is , amelyet a trícium megvilágításában és a béta-volta generátorokban használnak .
A gyenge interakció több szempontból is egyedülálló:
A gyenge kölcsönhatás lehetővé teszi az összes leptonnak és kvarknak az energia , a tömeg és az elektromos töltés cseréjét , lehetővé téve számukra a család és az íz megváltoztatását.
A gyenge kölcsönhatásnak nagyon rövid a hatótávolsága, és hatása csak az atommagra korlátozódik . Ez a W és Z bozon tömegével magyarázható , amely körülbelül 90 GeV . c -2 , amely kevesebb mint 10 −24 s élettartamot ad számukra, és a gyenge kölcsönhatás elméleti tartományát mintegy 10–17 m-re adja, ami százszor kisebb, mint az erős kölcsönhatás (a többi alapvető kölcsönhatás, elektromágneses és gravitációs , végtelen tartománya van).
Ez az alapvető erő a leggyengébb a nem gravitációs interakciók közül. Az atomfizikában általában figyelembe vett energiákon ezt egy egyszerűsített effektív interakció (Fermi erő) modellezi, amelynek kapcsolási állandója körülbelül 10 000-szer kisebb, mint az elektromágneses interakcióé, és 1 000 000-szer kisebb, mint az erős mag-kölcsönhatásé. Ez többek között azzal magyarázható, hogy működési területe nagyon korlátozott. Ennek intenzitása azonban a jelenlévő részecskék energiájával gyorsan növekszik, ami miatt utoléri az elektromágneses kölcsönhatást néhány tíz GeV körül. Ezen a szinten keveredik vele az elektromos gyengeség kölcsönhatásának megadása . Csak a gravitációs erő még gyengébb, de az energiával még gyorsabban növekszik, mint a gyenge kölcsönhatás, ami nyitva hagyja az összes elemi kölcsönhatás egyesülésének lehetőségét .
1. generáció | 2. generáció | 3. generáció | ||||||
---|---|---|---|---|---|---|---|---|
fermion | szimbólum | gyenge izospin |
fermion | szimbólum | gyenge izospin |
fermion | szimbólum | gyenge izospin |
elektron | müon | tau | ||||||
neutrino-elektron | muon neutrino | tau neutrino | ||||||
quark fel | kvark varázsa | felső kvark | ||||||
kvark le | furcsa kvark | kvark alja |
A gyenge kölcsönhatáshoz kapcsolódó töltés a gyenge izospin (T 3 vagy T z ). Ez egyenértékű a tömeg a gravitációval, az elektromos töltés az elektromágneses kölcsönhatás és a színes töltés az erős kölcsönhatás esetén. Ez szabályozza a két részecske kölcsönhatását. Az elemi fermionok izospinje gyenge ± 1/2. Például az up típusú (u, c és t) kvarkoknak T 3 = +1/2. Lefelé alakuló kvarkokká (d, s vagy b) alakulnak át, amelyek T 3 = −1/2, és fordítva. A bozonok gyenge izospin 0 vagy ± 1. Különösen a W + a T 3 = 1 és a W - a T 3 = -1, amelyek lehetővé teszik a gyenge kölcsönhatású mezõ ön-kölcsönhatásait, az úgynevezett trilináris és kvadratikus kapcsolásokat.
A gyenge izospin a bomlások során konzerválódik: a gyenge izoszpinek összege azonos a reakció előtt és után. Például egy π + pion , amelynek gyenge izospin +1 értéke, μ + müon gyenge izospin +1/2- re és egy muon neutrino ν μ gyenge izospin +1/2-re bomlik .
Az electroweak elmélet bevezetése óta új, gyenge hipertöltésnek nevezett töltést javasoltak. Ez a kombináció az elektromos töltés és a gyenge izospin: . A gyenge hipertöltés az SU (2) xU (1) elektromos gyengeségmérő csoport U (1) komponensének generátora .
Először a Fermi interakciót emelték ki. A XXI . Század elején hatékony kölcsönhatásnak tekintik alacsony energiák esetén, amelyek W ± cserét mutatják , és amely elektromos töltésű, önmagában elektromos töltésű áramhoz kapcsolódik: ennek az áramnak a leggyakrabban használt része egy olyan részből áll, amely megsemmisíti a neutrino-elektron és elektront, vagy fordítottat hoz létre, vagy neutrino-pozitron párokat, vagy ugyanazokat a folyamatokat hozza létre / semmisíti meg az antirészecskékkel. Ugyanaz a szerepe van a neutron-proton párral is. Ez a kölcsönhatás az alapja a neutron β bomlásának, amelyet a reakció sematizálhat:
Mivel a W nagy tömegű, a reakcióidő, amely alatt a W virtuális, nagyon rövid, és az interakció gyakorlatilag a helyén megy végbe, a Fermi-pont kölcsönhatásig forralva:
Mivel a reakció előtt jelenlévő részecskék és az utána jelenlévő részecskék különböznek egymástól, nagyon könnyű volt kimutatni a β bomlásokat, és ezáltal közvetett módon az elektromosan töltött áramokat.
A Z 0 ugyanolyan típusú reakciókat vált ki, mint a W-k, de az elektromágneses és erős kölcsönhatások erős versenyével szembesül. Ezért csak azt a villamos semleges áramot sikerült bemutatnunk, amely Z-hez kapcsol, azáltal, hogy kiemeltük azokat a reakciókat, ahol a végén található neutrino található. Ehhez nyilvánvalóan szükség volt egy kísérlet elvégzésére kellően intenzív neutrinonyalábbal és elegendő energiával ahhoz, hogy valószínűsítsék az események megfigyelését. Ezt az elvet az elmélet megfogalmazása után csak 1973-ban sikerült elérni (lásd a semleges áramok felfedezését ).
A radioaktivitás 1896 óta ismert, az α és a β radioaktivitás megkülönböztetése 1899 óta, az atomok közötti 1901 óta kialakult transzmutáció és az energiaveszteség jelei 1911 és 1927 között felhalmozódtak. Wolfgang Pauli 1930-ban javasolta, hogy könnyű semleges részecskéket bocsátottak ki, de még nem figyelték meg, és 1934-ben Fermi a β radioaktivitás elméletét javasolta, amelyben a neutrínók kibocsátódnak. Ez az elmélet kölcsönhatásokat jósol 4 fermionnal (neutron, proton, elektron és neutrino), amelyek a gyenge kölcsönhatás első változatát jelentik.
Sokáig azt hitték, hogy a természet törvényei azonosak két olyan helyzet között, amelyek tükrözik egymást a tükörben. A paritás ezen törvényét a klasszikus gravitáció, az elektromágnesesség és az erős kölcsönhatás tiszteletben tartotta, és feltételezték, hogy univerzális. De az ötvenes években Chen Ning Yang és Tsung-Dao Lee azt sugallta, hogy a gyenge interakció sérti ezt a szimmetriát. Chien Shiung Wu és munkatársai 1957-ben demonstrálták a paritásszimmetria megsértését , és Yang és Lee ugyanabban az évben elnyerte a fizikai Nobel-díjat .
A szimmetria megsértésének felfedezése és a renormalizációs elméletek megjelenése azt javasolta Robert Marshaknak és George Sudarshan-nak 1957-ben, majd Richard Feynman és Murray Gell-Mann számára, hogy módosítsák a Fermi-elméletet a kiralitásnak nevezett részecskék jellemzőinek bevezetésével . Ebben az elméletben a gyenge kölcsönhatás csak a bal kiralitású részecskékre hat, a jobb kiralitásúak nem érzékenyek rá. A tükörhelyzetben a kiralitás megváltozik, ezért a kölcsönhatás nem ugyanazokra a részecskékre hat. Abban az időben a Z bozont nem ismerték, és az elmélet nem tartalmazta a semleges áramokban előforduló megfelelő kiralitási mezőket.
Az új elmélet egy új szimmetriát vezetett be , amelyet CP-nek neveznek , amely egyesíti a paritást (bal és jobb permutáció) és a konjugációt (a részecskék és antirészecskék közötti permutáció). De 1964-ben James Christenson, James Cronin , Val Fitch és René Turlay kísérletileg megmutatta, hogy a kaonok bomlása során is megsértették ezt a szimmetriát ; Cronin és Fitch 1980-ban elnyerte a fizikai Nobel-díjat ezért az eredményért. 1973-ban Makoto Kobayashi és Toshihide Maskawa kimutatták, hogy a CP-szimmetria megsértéséhez elméleti modellekben a részecskék harmadik generációjára van szükség .
1979 Abdus Salam , Sheldon Glashow és Steven Weinberg ítélték oda a fizikai Nobel-díjat azok hozzájárulását az elméleti egyesítés között gyenge kölcsönhatás és elektromágneses kölcsönhatás , ezáltal a Standard Modell a elektrogyenge kölcsönhatás . Kísérletileg két szakaszban bizonyították létezését. Először is, az 1973-as Gargamelle- együttműködés lehetővé tette a semleges áramlatok felfedezését. Aztán 1983-ban az UA1 és UA2 együttműködés megmutatta a W és Z bozonok létezését; 1984-ben Carlo Rubbia és Simon van der Meer elnyerte a fizikai Nobel-díjat a kísérletekhez való hozzájárulásáért.