Die schwache Kraft ist eine der vier Grundkräfte, die alle Materie im Universum regieren (die anderen drei sind Schwerkraft, Elektromagnetismus und die starke Kraft). Während die anderen Kräfte die Dinge zusammenhalten, spielt die schwache Kraft eine größere Rolle, wenn Dinge auseinanderfallen oder zerfallen.
Die schwache Kraft oder schwache Wechselwirkung ist stärker als die Schwerkraft, aber nur auf sehr kurzen Entfernungen wirksam. Es wirkt auf der subatomaren Ebene und spielt eine entscheidende Rolle bei der Stromversorgung von Sternen und der Schaffung von Elementen., Laut der Thomas Jefferson National Accelerator Facility (Jefferson Lab) ist es auch für einen Großteil der im Universum vorhandenen natürlichen Strahlung verantwortlich.
Der italienische Physiker Enrico Fermi entwickelte 1933 eine Theorie zur Erklärung des Beta-Zerfalls, bei dem sich ein Neutron in einem Kern in ein Proton verwandelt und ein Elektron ausstößt, das in diesem Zusammenhang oft als Betateilchen bezeichnet wird., „“Er definierte eine neue Art von Kraft, die sogenannte schwache Wechselwirkung, die für den Zerfall verantwortlich war und deren fundamentaler Prozess darin bestand, ein Neutron in ein Proton, ein Elektron und ein Neutrino umzuwandeln“, das später als Anti-Neutrino bestimmt wurde, schrieb Giulio Maltese, ein italienischer Physikhistoriker, in „Particles of Man“, einem Artikel, der 2013 in der Zeitschrift Lettera Matematica veröffentlicht wurde.
Laut Maltese dachte Fermi ursprünglich, dass es sich dabei um eine Nullentfernungs-oder Haftkraft handelte, bei der die beiden Partikel tatsächlich berührt werden mussten, damit die Kraft wirken konnte., Es hat sich seitdem gezeigt, dass die schwache Kraft tatsächlich eine attraktive Kraft ist, die in einem extrem kurzen Bereich von etwa 0,1 Prozent des Durchmessers eines Protons arbeitet, laut HyperPhysics, einer Website der Georgia State University.
Das Standardmodell
Die schwache Kraft ist Teil der amtierenden Theorie der Teilchenphysik, des Standardmodells, das die grundlegende Struktur der Materie anhand einer „eleganten Reihe von Gleichungen“ beschreibt, so CERN, die Europäische Organisation für Kernforschung., Nach dem Standardmodell sind Elementarteilchen — also solche, die nicht in kleinere Teile aufgeteilt werden können — die Bausteine des Universums.
Eines dieser Teilchen ist das quark. Wissenschaftler haben keinen Hinweis darauf gesehen, dass es etwas Kleineres als ein Quark gibt, aber sie suchen immer noch. Es gibt sechs Arten oder „Aromen“ von Quarks: oben, unten, seltsam, Charme, unten und oben (in aufsteigender Reihenfolge nach Masse). In verschiedenen Kombinationen bilden sie laut Pittsburgh Supercomputing Center viele verschiedene Arten des subatomaren Teilchenzentrums., Zum Beispiel Protonen und Neutronen, die „großen“ Teilchen eines Atomkerns, bestehen jeweils aus Bündeln von drei Quarks. Zwei Höhen und ein Ab machen ein Proton; ein Auf und zwei Tiefen machen ein Neutron. Durch Ändern des Geschmacks eines Quarks kann ein Proton in ein Neutron umgewandelt werden, wodurch das Element in ein anderes geändert wird.
eine Andere Art von Elementarteilchen ist das boson. Dies sind Kraftträgerteilchen, die aus Energiebündeln bestehen. Photonen sind eine Art von Boson; Gluonen sind eine andere. Jede der vier Kräfte resultiert aus dem Austausch von Kraftträgerteilchen., Die starke Kraft wird vom Gluon getragen, während die elektromagnetische Kraft vom Photon getragen wird. Das Graviton ist theoretisch das krafttragende Teilchen der Schwerkraft, wurde aber noch nicht gefunden.
W-und Z-Bosonen
Die schwache Kraft wird von den W-und Z-Bosonen getragen. Diese Teilchen wurden von den Nobelpreisträgern Steven Weinberg, Sheldon Salam und Abdus Glashow in den 1960er Jahren vorhergesagt und 1983 am CERN entdeckt.
W-Bosonen sind elektrisch geladen und werden durch ihre Symbole bezeichnet: W+ (positiv geladen) und W− (negativ geladen). Das W-Boson verändert die Zusammensetzung der Partikel., Durch die Emission eines elektrisch geladenen W-Bosons verändert die schwache Kraft den Geschmack eines Quark, wodurch sich ein Proton in ein Neutron verwandelt oder umgekehrt. Dies ist es, was die Kernfusion auslöst und Sterne zum Brennen bringt, so das CERN. Das Verbrennen erzeugt schwerere Elemente, die schließlich in Supernova-Explosionen in den Weltraum geworfen werden, um die Bausteine für Planeten zu werden, zusammen mit Pflanzen, Menschen und allem anderen auf der Erde.
Das Z-Boson ist neutral geladen und trägt einen schwachen Neutralstrom. Seine Wechselwirkung mit Partikeln ist schwer zu erkennen., Versuche, W-und Z-Bosonen zu finden, führten in den 1960er Jahren zu einer Theorie, die die elektromagnetische Kraft und die schwache Kraft zu einer einheitlichen „elektroschwachen“ Kraft kombinierte. Die Theorie erforderte jedoch, dass die krafttragenden Teilchen masselos waren, und die Wissenschaftler wussten, dass das theoretische W-Boson schwer sein musste, um seine kurze Reichweite zu berücksichtigen. Laut CERN machten Theoretiker die Masse des W aus, indem sie einen unsichtbaren Mechanismus namens Higgs-Mechanismus einführten, der die Existenz eines Higgs-Bosons fordert., Im Jahr 2012 berichtete CERN, dass Wissenschaftler, die den größten Atom-Smasher der Welt verwendeten, ein neues Teilchen beobachteten, “ das mit dem Auftreten eines Higgs-Bosons übereinstimmt.“
Beta-Zerfall
Der Prozess, bei dem sich ein Neutron in ein Proton verwandelt und umgekehrt, wird Beta-Zerfall genannt. Laut dem Lawrence Berkeley National Laboratory (LBL) tritt „Beta-Zerfall auf, wenn in einem Kern mit zu vielen Protonen oder zu vielen Neutronen eines der Protonen oder Neutronen in das andere umgewandelt wird.“
Der Beta-Zerfall kann laut LBL auf zwei Arten verlaufen., Im Beta-Minus-Zerfall, der manchmal als β− Zerfall bezeichnet wird, zerfällt ein Neutron in ein Proton, ein Elektron und ein Antineutrino. In Beta-Plusdecay, manchmal als β+ – Zerfall kommentiert, zerfällt ein Proton in ein Neutron, ein Positron und ein Neutrino. Ein Element kann sich in ein anderes Element verwandeln, wenn sich eines seiner Neutronen durch Beta-Minus-Zerfall spontan in ein Proton verwandelt oder wenn sich eines seiner Protonen durch Beta-Plus-Zerfall spontan in ein Neutron verwandelt.
Elektroneneinfang
Protonen können sich auch durch einen Prozess namens Elektroneneinfang oder K-Einfang in Neutronen verwandeln., Wenn eine übermäßige Anzahl von Protonen relativ zur Anzahl von Neutronen in einem Kern vorhanden ist, scheint ein Elektron, normalerweise aus der innersten Elektronenhülle, in den Kern zu fallen. Laut Jacquelyn Yanch, Professor in der Abteilung Nukleartechnik am Massachusetts Institute of Technology, in einem 2001 Papier „Zerfallsmechanismen“, In Elektronenfang, ein Orbitalelektron wird durch den Mutterkern eingefangen, und die Produkte sind der Tochterkern und ein Neutrino.,“Die Ordnungszahl des resultierenden Tochterkerns wird um 1 reduziert, aber die Gesamtzahl der Protonen und Neutronen bleibt gleich.
Kernfusion
Die schwache Kraft spielt eine wichtige Rolle bei der Kernfusion, der Reaktion, die die Sonne und thermonukleare (Wasserstoff -) Bomben antreibt. Der erste Schritt bei der Wasserstofffusion besteht darin, zwei Protonen zusammen mit genügend Energie zu zerschlagen, um die gegenseitige Abstoßung zu überwinden, die sie aufgrund der elektromagnetischen Kraft erfahren. Wenn die beiden Teilchen nahe genug zueinander gebracht werden können, kann die starke Kraft sie zusammenbinden., Dies erzeugt eine instabile Form von Helium (2He), das einen Kern mit zwei Protonen hat, im Gegensatz zu der stabilen Form von Helium (4He), das zwei Protonen und zwei Neutronen hat.
Im nächsten Schritt kommt die schwache Kraft ins Spiel. Wegen des Überflusses an Protonen erfährt eines der Paare Beta-Zerfall. Danach bilden andere nachfolgende Reaktionen, einschließlich der Zwischenbildung und Verschmelzung von 3He, schließlich stabile 4He.