den svaga kraften är en av de fyra grundläggande krafterna som styr all materia i universum (de andra tre är gravitation, elektromagnetism och den starka kraften). Medan de andra krafterna håller ihop, spelar den svaga kraften en större roll i saker som faller ihop eller förfaller.
den svaga kraften, eller svag interaktion, är starkare än gravitationen, men den är endast effektiv på mycket korta avstånd. Det verkar på subatomär nivå och spelar en avgörande roll för att driva stjärnor och skapa element., Det är också ansvarig för mycket av den naturliga strålningen som finns i universum, enligt Thomas Jefferson National Accelerator Facility (Jefferson Lab).
italiensk fysiker Enrico Fermi utarbetade en teori 1933 för att förklara betaförfall, vilket är den process genom vilken en neutron i en kärna ändras till en proton och utvisar en elektron, ofta kallad en betapartikel i detta sammanhang., ””Han definierade en ny typ av kraft, den så kallade svaga interaktionen, som var ansvarig för förfall, och vars grundläggande process omvandlade en neutron till en proton, en elektron och en neutrino”, som senare bestämdes vara en anti-neutrino, skrev Giulio Maltese, en italiensk fysikhistoriker, i” partiklar av människan”, en artikel publicerad i 2013 i tidskriften Lettera Matematica.
enligt maltesiska trodde Fermi ursprungligen att detta innebar vad som uppgick till en nolldistans-eller limkraft där de två partiklarna faktiskt var tvungna att röra för kraften att fungera., Det har sedan dess visat sig att den svaga kraften är faktiskt en attraktiv kraft som fungerar på en extremt kort räckvidd på cirka 0,1 procent av diametern hos en proton, enligt Hyperfysik, en webbplats som produceras av Georgia State University.
standardmodellen
den svaga kraften är en del av den regerande teorin om partikelfysik, standardmodellen, som beskriver materiens grundläggande struktur med hjälp av en ”elegant serie ekvationer”, enligt CERN, den europeiska organisationen för kärnforskning., Under standardmodellen är elementära partiklar — det vill säga de som inte kan delas upp i mindre delar — universums byggstenar.
en av dessa partiklar är Kvarken. Forskare har inte sett några tecken på att det finns något mindre än en kvark, men de letar fortfarande. Det finns sex typer, eller” smaker ” av kvarkar: upp, ner, konstigt, charm, botten och toppen (i stigande ordning efter massa). I olika kombinationer bildar de många olika arter av den subatomiska partikel zoo, enligt Pittsburgh Supercomputing Center., Till exempel protoner och neutroner, de ”stora” partiklarna i en atomkärna, består var och en av buntar av tre kvarkar. Två upp-och en ner gör en proton; en upp och två nedgångar gör en neutron. Att ändra smaken av en kvark kan ändra en proton till en neutron, vilket förändrar elementet till en annan.
en annan typ av elementär partikel är bosonen. Dessa är kraftbärarpartiklar som består av buntar av energi. Fotoner är en typ av boson; gluoner är en annan. Var och en av de fyra krafterna härrör från utbyte av kraftbärarpartiklar., Den starka kraften bärs av gluonen, medan den elektromagnetiska kraften bärs av fotonen. Gravitonen är teoretiskt den kraftbärande gravitationspartikeln, men den har inte hittats än.
w och Z bosons
den svaga kraften bärs av W och Z bosons. Dessa partiklar förutspåddes av Nobelpristagarna Steven Weinberg, Sheldon Salam och Abdus Glashow på 1960-talet, och upptäcktes 1983 på CERN.
w bosons är elektriskt laddade och betecknas med deras symboler: W+ (positivt laddad) och W− (negativt laddad). W boson ändrar sminken av partiklar., Genom att emittera en elektriskt laddad w boson förändrar den svaga kraften smaken av en kvark, vilket gör att en proton förändras till en neutron eller vice versa. Det här utlöser kärnfusion och orsakar stjärnor att brinna, enligt CERN. Bränningen skapar tyngre element, som så småningom kastas i rymden i supernova explosioner för att bli byggstenar för planeter, tillsammans med växter, människor och allt annat på jorden.
Z boson är neutralt laddad och har en svag neutral ström. Dess interaktion med partiklar är svår att upptäcka., Experiment för att hitta W och Z bosons ledde till en teori som kombinerar den elektromagnetiska kraften och den svaga kraften i en enhetlig ”elektroweak”-kraft på 1960-talet. men teorin krävde att de kraftbärande partiklarna var masslösa, och forskare visste att den teoretiska W boson måste vara tung för att redogöra för sin korta räckvidd. Enligt CERN stod teoretikerna för W: S massa genom att införa en osynlig mekanism som kallades Higgs-mekanismen, som kräver att Higgs boson existerade., Under 2012 rapporterade CERN att forskare som använder världens största atom smasher observerade en ny partikel ” som överensstämmer med utseendet på en Higgs boson.”
betaförfall
processen där en neutron ändras till en proton och vice versa kallas betaförfall. Enligt Lawrence Berkeley National Laboratory (LBL), ”Beta förfall inträffar när, i en kärna med för många protoner eller för många neutroner, en av protoner eller neutroner omvandlas till den andra.”
Beta förfall kan gå på ett av två sätt, enligt LBL., I beta minus förfall, ibland annoterad som β− förfall, sönderfaller en neutron i en proton, en elektron och en antineutrino. I beta plusdecay, ibland kommenterad som β+ förfall, en proton sönderfaller i en neutron, en positron och en neutrino. Ett element kan förändras till ett annat element när en av dess neutroner spontant ändras till en proton genom beta minus förfall eller när en av dess protoner spontant ändras till en neutron genom beta plus förfall.
Elektronfångst
protoner kan också omvandlas till neutroner genom en process som kallas elektronfångst eller k-capture., När det finns ett överskott av protoner i förhållande till antalet neutroner i en kärna, verkar en elektron, vanligtvis från det innersta elektronskalet, falla in i kärnan. Enligt Jacquelyn Yanch, professor i kärntekniska avdelningen vid Massachusetts Institute of Technology, i en 2001 papper ”Decay Mechanisms”, ”i electron capture, en orbital elektron fångas av moderkärnan, och produkterna är dotterkärnan och en neutrino.,”Atomnumret för den resulterande dotterkärnan reduceras med 1, men det totala antalet protoner och neutroner förblir detsamma.
kärnfusion
den svaga kraften spelar en viktig roll i kärnfusion, reaktionen som driver solen och termonukleära (väte) bomber. Det första steget i vätefusion är att krossa två protoner tillsammans med tillräckligt med energi för att övervinna den ömsesidiga repulsion de upplever på grund av den elektromagnetiska kraften. Om de två partiklarna kan föras tillräckligt nära varandra kan den starka kraften binda dem ihop., Detta skapar en instabil form av helium (2HE), som har en kärna med två protoner, i motsats till den stabila formen av helium (4He), som har två protoner och två neutroner.
nästa steg är där den svaga kraften kommer in i bilden. På grund av överflöd av protoner genomgår ett av paret betaförfall. Därefter bildar andra efterföljande reaktioner, inklusive mellanliggande bildning och fusion av 3He, så småningom stabil 4HE.