Что такое слабое взаимодействие в физике?

Слабое взаимодействие – это одна из четырех фундаментальных сил, управляющих всей материей во Вселенной. Остальные три – сила тяжести, электромагнетизм и сильное взаимодействие. В то время как другие силы держат вещи вместе, слабая сила играет большую роль в их разрушении.

Слабое взаимодействие сильнее гравитации, но оно эффективно только на очень малых расстояниях. Сила действует на субатомном уровне и играет решающую роль в обеспечении энергией звезд и создании элементов. Она также отвечает за большую часть естественного излучения во Вселенной.

Теория Ферми

Итальянский физик Энрико Ферми в 1933 г. разработал теорию для объяснения бета-распада – процесса превращения нейтрона в протон и вытеснения электрона, который часто называют в этом контексте бета-частицей. Он определил новый тип силы, так называемое слабое взаимодействие, которое отвечало за распад, фундаментальный процесс превращения нейтрона в протон, нейтрино и электрон, который впоследствии был определен как антинейтрино.

Ферми первоначально предполагал, что имело место нулевое расстояние и сцепление. Две частицы должны были соприкасаться, чтобы сила работала. С тех пор выяснилось, что слабое взаимодействие на самом деле является силой притяжения, которая проявляется на чрезвычайно коротком расстоянии, равном 0,1% диаметра протона.

Электрослабая сила

В радиоактивных распадах слабая сила приблизительно в 100 000 раз меньше электромагнитной. Тем не менее, в настоящее время известно, что она внутренне равна электромагнитной, и эти два явно различных явления, как полагают, представляют собой проявления единой электрослабой силы. Это подтверждается тем, что они объединяются при энергиях более 100 ГэВ.

Иногда говорят, что слабое взаимодействие проявляется при распаде молекул. Однако межмолекулрные силы имеют электростатическую природу. Они были обнаружены Ван-дер-Ваальсом и носят его имя.

Стандартная модель

Слабое взаимодействие в физике является частью стандартной модели – теории элементарных частиц, которая описывает фундаментальную структуру материи, используя набор элегантных уравнений. Согласно этой модели элементарные частицы, т. е. то, что нельзя разделить на более мелкие части, являются строительными блоками Вселенной.

Одной из таких частиц является кварк. Ученые не предполагают существования чего-то меньшего, но они все равно ищут. Существует 6 типов, или сортов кварков. Разместим их в порядке возрастания массы:

• верхний;
• нижний;
• странный;
• очарованный;
• прелестный;
• истинный.

В различных комбинациях они образуют множество разнообразных видов субатомных частиц. Так, например, протоны и нейтроны - большие частицы атомного ядра - состоят из трех кварков каждый. Два верхних и нижний составляют протон. Верхний и два нижних образуют нейтрон. Изменение сорта кварка может изменить протон в нейтрон, тем самым превращая один элемент в другой.

Другим типом элементарных частиц является бозон. Эти частицы – переносчики взаимодействия, которые состоят из пучков энергии. Фотоны являются одним из видов бозона, глюоны – другим. Каждая из этих четырех сил является результатом обмена переносчиками взаимодействия. Сильное взаимодействие осуществляется глюоном, а электромагнитное – фотоном. Гравитон теоретически является переносчиком силы тяжести, но он не был найден.

W- и Z-бозоны

Слабое взаимодействие переносится W- и Z-бозонами. Эти частицы были предсказаны лауреатами Нобелевской премии Стивеном Вайнбергом, Шелдоном Саламом и Абдусом Глешоу в 60-е годы прошлого столетья, а обнаружили их в 1983 году в Европейской организации по ядерным исследованиям ЦЕРН.

W-бозоны электрически заряжены и обозначаются символами W⁺ (положительно заряженный) и W^- (отрицательно заряженный). W-бозон изменяет состав частиц. Испуская электрически заряженный W-бозон, слабая сила изменяет сорт кварка, превращая протон в нейтрон или наоборот. Именно это вызывает ядерный синтез и заставляет звезды гореть.

Данная реакция создает более тяжелые элементы, которые, в конечном итоге, выбрасываются в космос взрывами сверхновых, чтобы стать строительным материалом для планет, растений, людей и всего остального на Земле.

Нейтральный ток

Z-бозон нейтрален и несет слабый нейтральный ток. Его взаимодействие с частицами трудно обнаружить. Экспериментальные поиски W- и Z-бозонов в 1960-е годы привели ученых к теории, сочетающей электромагнитную и слабую силу в единую «электрослабую». Однако теория требовала от частиц-переносчиков быть невесомыми, а ученые знали, что теоретически W-бозон должен быть тяжелым, чтобы объяснить его малую дальность. Теоретики отнесли массу W на счет невидимого механизма, названного механизмом Хиггса, который предусматривает существование бозона Хиггса.

В 2012 году ЦЕРН сообщил, что ученые, используя самый большой в мире ускоритель – Большой адронный коллайдер – наблюдали новую частицу, «соответствующую бозону Хиггса».

Бета-распад

Слабое взаимодействие проявляется при β-распаде – процессе, в котором протон превращается в нейтрон и наоборот. Он происходит, когда в ядре со слишком большим числом нейтронов или протонов один из них преобразуется в другой.

Бета-распад может осуществляться одним из двух способов:

1. При минус-бета-распаде, иногда записываемом как β⁻ -распад, нейтрон расщепляется на протон, антинейтрино и электрон.
2. Слабое взаимодействие проявляется при распаде атомных ядер, иногда записываемом как β⁺-распад, когда протон расщепляется на нейтрон, нейтрино и позитрон.

Один из элементов может превратиться в другой, когда один из его нейтронов спонтанно превращается в протон через минус-бета-распад, или когда один из его протонов спонтанно превращается в нейтрон через β⁺-распад.

Двойной бета-распад происходит, когда в ядре 2 протона одновременно трансформируются в 2 нейтрона или наоборот, в результате чего излучаются 2 электрон-антинейтрино и 2 бета-частицы. В гипотетическом безнейтринном двойном бета-распаде нейтрино не образуются.

Электронный захват

Протон может превратиться в нейтрон посредством процесса, называемого электронным захватом или K-захватом. Когда в ядре есть избыточное количество протонов по отношению к числу нейтронов, электрон, как правило, из внутренней электронной оболочки как будто падает в ядро. Электрон орбитали захватывается материнским ядром, продуктами чего являются дочернее ядро ​​и нейтрино. Атомный номер полученного дочернего ядра уменьшается на 1, но общее число протонов и нейтронов остается тем же.

Термоядерная реакция

Слабое взаимодействие принимает участие в ядерном синтезе – реакции, которая снабжает энергией солнце и термоядерные (водородные) бомбы.

Первым этапом в слиянии водорода является столкновение двух протонов с достаточной силой, чтобы преодолеть взаимное отталкивание, испытываемое ими из-за их электромагнитного взаимодействия.

Если обе частицы расположить близко друг к другу, сильное взаимодействие может связывать их. Это создает нестабильную форму гелия (²He), который имеет ядро ​​с двумя протонами, в отличие от устойчивой формы (⁴Не), которая имеет два нейтрона и два протона.

На следующем этапе в игру вступает слабое взаимодействие. Из-за переизбытка протонов один из них претерпевает бета-распад. После этого, другие реакции, включая промежуточное образование и слияние ³Не, в конечном счете, образуют стабильный ⁴Не.