De zwakke kracht is een van de vier fundamentele krachten die alle materie in het universum beheersen. De andere drie zijn zwaartekracht, elektromagnetisme en de sterke kracht. Terwijl andere krachten de dingen bij elkaar houden, speelt een zwakke kracht een grote rol bij het afbreken ervan.
De zwakke kracht is sterker dan de zwaartekracht, maar is alleen effectief op zeer kleine afstanden. The Force werkt op subatomair niveau en speelt een cruciale rol bij het leveren van energie aan de sterren en het creëren van de elementen. Het is ook verantwoordelijk voor de meeste natuurlijke straling in het heelal.
Fermi-theorie
De Italiaanse natuurkundige Enrico Fermi ontwikkelde in 1933 een theorie om bètaverval te verklaren, het proces waarbij een neutron in een proton wordt omgezet en een elektron wordt uitgestoten, in deze context vaak een bètadeeltje genoemd. Hij identificeerde een nieuw type kracht, de zogenaamde zwakke kracht, die verantwoordelijk was voor verval, het fundamentele proces van de transformatie van een neutron in een proton, een neutrino en een elektron, dat later werd geïdentificeerd als een antineutrino.
Fermi oorspronkelijkaangenomen dat er geen afstand en adhesie was. De twee deeltjes moesten contact maken om de kracht te laten werken. Inmiddels is gebleken dat de zwakke kracht eigenlijk een aantrekkingskracht is die zich manifesteert over een extreem korte afstand, gelijk aan 0,1% van de diameter van een proton.
Elektrozwakke kracht
Bij radioactief verval is de zwakke kracht ongeveer 100.000 keer kleiner dan de elektromagnetische kracht. Het is nu echter bekend dat het intrinsiek gelijk is aan het elektromagnetische, en men denkt dat deze twee schijnbaar verschillende verschijnselen manifestaties zijn van een enkele elektrozwakke kracht. Dit wordt bevestigd door het feit dat ze combineren bij energieën van meer dan 100 GeV.
Soms zeggen ze dat de zwakke interactie zich manifesteert in het verval van moleculen. Intermoleculaire krachten zijn echter van elektrostatische aard. Ze zijn ontdekt door van der Waals en dragen zijn naam.
Standaardmodel
Zwakke interactie in de natuurkunde maakt deel uit van het standaardmodel - de theorie van elementaire deeltjes, die de fundamentele structuur van materie beschrijft met behulp van een reeks elegante vergelijkingen. Volgens dit model zijn elementaire deeltjes, dat wil zeggen datgene wat niet in kleinere delen kan worden verdeeld, de bouwstenen van het universum.
Een van deze deeltjes is de quark. Wetenschappers gaan niet uit van het bestaan van minder, maar ze zijn nog steeds op zoek. Er zijn 6 soorten of variëteiten quarks. Laten we ze op volgorde zettenmassa toename:
- top;
- lager;
- raar;
- betoverd;
- schattig;
- true.
In verschillende combinaties vormen ze veel verschillende soorten subatomaire deeltjes. Zo bestaan protonen en neutronen - grote deeltjes van de atoomkern - elk uit drie quarks. De bovenste twee en de onderste vormen een proton. De bovenste en de twee onderste vormen een neutron. Door het soort quark te veranderen, kan een proton in een neutron veranderen, waardoor het ene element in het andere verandert.
Een ander type elementaire deeltjes is een boson. Deze deeltjes zijn interactiedragers, die bestaan uit energiebundels. Fotonen zijn een type boson, gluonen zijn een andere. Elk van deze vier krachten is het resultaat van een uitwisseling van interactiedragers. De sterke interactie wordt uitgevoerd door het gluon en de elektromagnetische interactie door het foton. Het graviton is in theorie de drager van de zwaartekracht, maar het is niet gevonden.
W- en Z-bosonen
Zwakke interactie wordt gedragen door W- en Z-bosonen. Deze deeltjes werden in de jaren zestig voorspeld door Nobelprijswinnaars Steven Weinberg, Sheldon Salam en Abdus Gleshow en in 1983 ontdekt bij de Europese Organisatie voor Nucleair Onderzoek CERN.
W-bosonen zijn elektrisch geladen en worden aangeduid met de symbolen W+ (positief geladen) en W- (negatief geladen). W-boson verandert de samenstelling van deeltjes. Door een elektrisch geladen W-boson uit te zenden, verandert de zwakke kracht het soort quark, waardoor een proton ontstaatin een neutron of omgekeerd. Dit is de oorzaak van kernfusie en zorgt ervoor dat sterren verbranden.
Deze reactie creëert zwaardere elementen die uiteindelijk door supernova-explosies in de ruimte worden gegooid om de bouwstenen te worden van planeten, planten, mensen en al het andere op aarde.
Neutrale stroom
Z-boson is neutraal en voert een zwakke neutrale stroom. De interactie met deeltjes is moeilijk te detecteren. Experimentele zoektochten naar W- en Z-bosonen in de jaren zestig leidden wetenschappers naar een theorie die de elektromagnetische en zwakke krachten combineert tot een enkele "elektrozwakke". De theorie vereiste echter dat de dragerdeeltjes gewichtloos waren, en de wetenschappers wisten dat het W-boson theoretisch zwaar zou moeten zijn om zijn korte bereik te verklaren. Theoretici hebben de massa W toegeschreven aan een onzichtbaar mechanisme, het Higgs-mechanisme genaamd, dat voorziet in het bestaan van het Higgs-deeltje.
In 2012 meldde CERN dat wetenschappers die 's werelds grootste versneller gebruikten, de Large Hadron Collider, een nieuw deeltje hadden waargenomen dat "overeenkomt met het Higgs-deeltje".
Beta-verval
Zwakke interactie manifesteert zich in β-verval - het proces waarbij een proton verandert in een neutron en vice versa. Het komt voor wanneer, in een kern met te veel neutronen of protonen, een van hen wordt omgezet in een andere.
Bèta-verval kan op twee manieren plaatsvinden:
- In min-bèta-verval, soms geschreven alsβ− -verval, het neutron splitst zich in een proton, een antineutrino en een elektron.
- Zwakke interactie manifesteert zich in het verval van atoomkernen, soms geschreven als β+-decay, wanneer een proton zich splitst in een neutron, neutrino en positron.
Een van de elementen kan in een ander veranderen wanneer een van zijn neutronen spontaan in een proton verandert door minus-bèta-verval, of wanneer een van zijn protonen spontaan in een neutron verandert door β+-verval.
Dubbel bètaverval treedt op wanneer 2 protonen in de kern gelijktijdig worden omgezet in 2 neutronen of omgekeerd, wat resulteert in de emissie van 2 elektron-antineutrino's en 2 bètadeeltjes. Bij een hypothetisch neutrinoloos dubbel bètaverval worden geen neutrino's geproduceerd.
Elektronische opname
Een proton kan in een neutron veranderen via een proces dat elektronenvangst of K-vangst wordt genoemd. Wanneer de kern een overmaat aan protonen heeft ten opzichte van het aantal neutronen, lijkt het elektron uit de binnenste elektronenschil in de kern te vallen. Het elektron van de orbitaal wordt gevangen door de moederkern, waarvan de producten de dochterkern en het neutrino zijn. Het atoomnummer van de resulterende dochterkern neemt af met 1, maar het totale aantal protonen en neutronen blijft hetzelfde.
Fusion reactie
De zwakke kracht is betrokken bij kernfusie, de reactie die de zon en fusie (waterstof) bommen aandrijft.
De eerste stap in waterstoffusie is de botsing van tweeprotonen met voldoende kracht om de wederzijdse afstoting die ze ervaren als gevolg van hun elektromagnetische interactie te overwinnen.
Als beide deeltjes dicht bij elkaar worden geplaatst, kan sterke interactie ze binden. Hierdoor ontstaat een onstabiele vorm van helium (2He), die een kern heeft met twee protonen, in tegenstelling tot de stabiele vorm (4He), die twee neutronen en twee protonen heeft.
De volgende stap is de zwakke interactie. Door een overmaat aan protonen ondergaat een ervan bètaverval. Daarna vormen andere reacties, waaronder intermediaire vorming en fusie 3He, uiteindelijk een stabiele 4He.
