Slabá sila je jednou zo štyroch základných síl, ktoré riadia všetku hmotu vo vesmíre. Ďalšie tri sú gravitácia, elektromagnetizmus a silná sila. Zatiaľ čo iné sily držia veci pohromade, slabá sila hrá veľkú úlohu pri ich rozklade.
Slabá sila je silnejšia ako gravitácia, ale je účinná len na veľmi malé vzdialenosti. Sila pôsobí na subatomárnej úrovni a hrá rozhodujúcu úlohu pri poskytovaní energie hviezdam a vytváraní prvkov. Je tiež zodpovedný za väčšinu prirodzeného žiarenia vo vesmíre.
Fermiho teória
Taliansky fyzik Enrico Fermi vyvinul v roku 1933 teóriu na vysvetlenie beta rozpadu, procesu premeny neutrónu na protón a vypudenia elektrónu, ktorý sa v tejto súvislosti často označuje ako beta častica. Identifikoval nový typ sily, takzvanú slabú silu, ktorá bola zodpovedná za rozpad, základný proces premeny neutrónu na protón, neutríno a elektrón, ktorý bol neskôr identifikovaný ako antineutríno.
Pôvodne Fermipredpokladalo sa, že vzdialenosť a adhézia sú nulové. Aby sila mohla pôsobiť, museli byť tieto dve častice v kontakte. Odvtedy sa ukázalo, že slabá sila je v skutočnosti príťažlivá sila, ktorá sa prejavuje na extrémne krátku vzdialenosť, rovnajúcu sa 0,1 % priemeru protónu.
Elektroslabá sila
Pri rádioaktívnych rozpadoch je slabá sila približne 100 000-krát menšia ako sila elektromagnetická. Teraz je však známe, že sa vo svojej podstate rovná elektromagnetickému a tieto dva zjavne odlišné javy sa považujú za prejavy jedinej elektroslabej sily. Potvrdzuje to skutočnosť, že sa spájajú pri energiách vyšších ako 100 GeV.
Niekedy hovoria, že slabá interakcia sa prejavuje rozpadom molekúl. Medzimolekulové sily sú však elektrostatického charakteru. Objavil ich van der Waals a nesú jeho meno.
Štandardný model
Slabá interakcia vo fyzike je súčasťou štandardného modelu - teórie elementárnych častíc, ktorá popisuje základnú štruktúru hmoty pomocou súboru elegantných rovníc. Podľa tohto modelu sú základné častice, teda tie, ktoré sa nedajú rozdeliť na menšie časti, stavebnými kameňmi vesmíru.
Jednou z týchto častíc je kvark. Vedci nepredpokladajú existenciu niečoho menšieho, no stále hľadajú. Existuje 6 druhov alebo odrôd kvarkov. Urobme si v nich poriadoknárast hmoty:
- top;
- lower;
- weird;
- začarovaný;
- rozkošný;
- true.
V rôznych kombináciách tvoria mnoho rôznych druhov subatomárnych častíc. Napríklad protóny a neutróny – veľké častice atómového jadra – každý pozostáva z troch kvarkov. Horné dva a spodné tvoria protón. Jeden horný a dva spodné tvoria neutrón. Zmena druhu kvarku môže zmeniť protón na neutrón, čím sa jeden prvok zmení na iný.
Ďalším typom elementárnych častíc je bozón. Tieto častice sú nosičmi interakcií, ktoré pozostávajú z energetických lúčov. Fotóny sú jedným typom bozónu, druhým sú gluóny. Každá z týchto štyroch síl je výsledkom výmeny nosičov interakcie. Silnú interakciu uskutočňuje gluón a elektromagnetickú interakciu fotón. Gravitón je teoreticky nositeľom gravitácie, ale nebol nájdený.
W- a Z-bozóny
W- a Z-bozóny nesú slabú interakciu. Tieto častice predpovedali laureáti Nobelovej ceny Steven Weinberg, Sheldon Salam a Abdus Gleshow v 60. rokoch a objavili ich v roku 1983 v Európskej organizácii pre jadrový výskum CERN.
W-bozóny sú elektricky nabité a sú označené symbolmi W+ (kladne nabité) a W- (záporne nabité). W-bozón mení zloženie častíc. Vyžiarením elektricky nabitého bozónu W mení slabá sila druh kvarku a vytvára protóndo neutrónu alebo naopak. To spôsobuje jadrovú fúziu a horenie hviezd.
Táto reakcia vytvára ťažšie prvky, ktoré sú nakoniec vrhnuté do vesmíru výbuchmi supernov, aby sa stali stavebnými kameňmi planét, rastlín, ľudí a všetkého ostatného na Zemi.
Neutrálny prúd
Z-bozón je neutrálny a vedie slabý neutrálny prúd. Jeho interakciu s časticami je ťažké odhaliť. Experimentálne hľadanie W- a Z-bozónov v 60. rokoch priviedlo vedcov k teórii, ktorá spája elektromagnetické a slabé sily do jediného „elektroslabého“. Teória však vyžadovala, aby nosné častice boli bez tiaže a vedci vedeli, že teoreticky by bozón W musel byť ťažký, aby vysvetlil svoj krátky dosah. Teoretici pripisujú hmotnosť W neviditeľnému mechanizmu nazývanému Higgsov mechanizmus, ktorý zabezpečuje existenciu Higgsovho bozónu.
V roku 2012 CERN oznámil, že vedci pomocou najväčšieho urýchľovača na svete, Veľkého hadrónového urýchľovača, pozorovali novú časticu „zodpovedajúcu Higgsovmu bozónu.“
Beta Decay
Slabá interakcia sa prejavuje β-rozpadom – procesom, pri ktorom sa protón mení na neutrón a naopak. Nastáva, keď sa v jadre s príliš veľkým počtom neutrónov alebo protónov jeden z nich premení na iný.
Beta rozpad môže nastať jedným z dvoch spôsobov:
- V mínus-beta rozpade, niekedy písané akoβ− -rozpad, neutrón sa rozdelí na protón, antineutrino a elektrón.
- Slabá interakcia sa prejavuje rozpadom atómových jadier, niekedy písaným ako β+-rozpad, keď sa protón rozdelí na neutrón, neutríno a pozitrón.
Jeden z prvkov sa môže zmeniť na iný, keď sa jeden z jeho neutrónov spontánne zmení na protón prostredníctvom mínus-beta rozpadu, alebo keď sa jeden z jeho protónov spontánne zmení na neutrón prostredníctvom β+-rozpad.
K dvojitému beta rozpadu dochádza, keď sa 2 protóny v jadre súčasne premenia na 2 neutróny alebo naopak, čo vedie k emisii 2 elektrón-antineutrín a 2 beta častíc. Pri hypotetickom bezneutrínovom dvojitom beta rozpade neutrína nevznikajú.
Elektronické snímanie
Protón sa môže zmeniť na neutrón prostredníctvom procesu nazývaného elektrónový záchyt alebo K-záchyt. Keď má jadro nadbytok protónov v porovnaní s počtom neutrónov, zdá sa, že elektrón z vnútorného elektrónového obalu spravidla spadne do jadra. Elektrón orbitálu je zachytený materským jadrom, ktorého produktmi sú dcérske jadro a neutríno. Atómové číslo výsledného dcérskeho jadra sa zníži o 1, ale celkový počet protónov a neutrónov zostáva rovnaký.
Fúzna reakcia
Slabá sila sa podieľa na jadrovej fúzii, reakcii, ktorá poháňa slnko a fúzne (vodíkové) bomby.
Prvým krokom vo vodíkovej fúzii je zrážka dvochprotóny s dostatočnou silou na prekonanie vzájomného odpudzovania, ktoré zažívajú v dôsledku ich elektromagnetickej interakcie.
Ak sú obe častice umiestnené blízko seba, silná interakcia ich môže spájať. Vznikne tak nestabilná forma hélia (2He), ktorá má jadro s dvoma protónmi, na rozdiel od stabilnej formy (4He), ktorý má dva neutróny a dva protóny.
Ďalším krokom je slabá interakcia. V dôsledku prebytku protónov jeden z nich podlieha beta rozpadu. Potom ďalšie reakcie, vrátane medzitvorby a fúzie 3He, prípadne vytvoria stabilnú 4He.
