Den svage interaktion (også kaldet svag kraft og undertiden svag atomkraft ) er en af de fire grundlæggende interaktioner mellem naturen, de andre tre er elektromagnetiske , stærke og tyngdekraftsinteraktioner . Det er ansvarligt for det radioaktive henfald af subatomære partikler og er oprindelsen til kernefusion i stjerner. Det påvirker alle kendte kategorier af fermioner , begyndende med elektroner , kvarker og neutrinoer .
I standardmodellen for partikelfysik er den svage interaktion forårsaget af udvekslingen af W + , W - og Z 0- bosoner . Den bedst kendte effekt er β-radioaktivitet . De fleste af partiklerne udsættes for forfald forårsaget af den svage interaktion. W- og Z-bosonerne har en meget høj masse , hvorfor den har en meget kort rækkevidde. Desuden er dens intensitet (koblingskonstant) generelt lavere med flere størrelsesordener end de af de elektromagnetiske og stærke interaktioner, hvilket forklarer dens navn. Den svage interaktion har flere unikke egenskaber, herunder dets evne til at ændre smagen af kvarker og bryde paritetssymmetrien og CP-symmetrien .
Den svage interaktion blev først beskrevet i 1930'erne af Enrico Fermi , der gjorde det til en kontakt mellem fire fermioner. Kaldet Fermi interaktion , Fermi brugte det til at forklare β henfald af neutron . Det blev også brugt i 1947, da muonforfaldet blev opdaget . Derefter foretrækkes en beskrivelse i form af et felt med meget kort rækkevidde. I 1968 blev de elektromagnetiske og svage interaktioner forenet og præsenteret som to aspekter af den elektriske svage interaktion .
Β radioaktivitet er oprindelsen til nukleosyntese i stjerner. Dette er det, der gør kulstof-14-datering mulig ved at omdanne kulstof-14 til nitrogen-14 . Det er også kilden til radioluminescence , der anvendes i tritium belysning og i beta-voltaic generatorer .
Den svage interaktion er unik på flere måder:
Den svage interaktion tillader alle leptoner og kvarker at udveksle energi , masse og elektrisk ladning , så de kan ændre familie og smag.
Den svage interaktion har en meget kort rækkevidde, og dens indflydelse er begrænset til atomkernen . Dette kan forklares med massen af W- og Z- bosonerne , som er omkring 90 GeV . c -2 , hvilket giver dem en levetid på mindre end 10 −24 s og giver den svage interaktion et teoretisk interval på ca. 10-17 m, hvilket er hundrede gange mindre end den stærke interaktion (de andre grundlæggende interaktioner, elektromagnetisk og tyngdekraft , har et uendeligt interval).
Denne grundlæggende kraft er den svageste af de ikke-tyngdekraftige interaktioner. Ved de energier, der normalt betragtes i kernefysik , er det modelleret af en forenklet effektiv interaktion (Fermi-kraft), hvis koblingskonstant er ca. 10.000 gange mindre end den elektromagnetiske interaktion og 1.000.000 gange mindre end den stærke nukleare interaktion. Dette forklares blandt andet ved, at dets handlingsområde er meget begrænset. Imidlertid stiger dens intensitet hurtigt med energien af de tilstedeværende partikler, hvilket får den til at indhente den elektromagnetiske interaktion omkring et par snesevis af GeV. Det er på dette niveau, at det blandes med det for at give den elektrosvage interaktion . Kun tyngdekraften er endnu svagere, men den vokser endnu hurtigere med energi end den svage interaktion, hvilket efterlader muligheden for en forening af alle de elementære interaktioner.
generation 1 | generation 2 | generation 3 | ||||||
---|---|---|---|---|---|---|---|---|
fermion | symbol | svag isospin |
fermion | symbol | svag isospin |
fermion | symbol | svag isospin |
elektron | muon | tau | ||||||
neutrino-elektron | muon neutrino | tau neutrino | ||||||
kvark op | kvark charme | top kvark | ||||||
kvark ned | mærkelig kvark | kvarkbund |
Ladningen er forbundet med den svage vekselvirkning er den svage isospin (T 3 eller T z ). Det svarer til masse for tyngdekraften, elektrisk ladning for elektromagnetisk interaktion og fargeladning for stærk interaktion. Det styrer den måde, hvorpå to partikler interagerer. Elementære fermioner har en svag isospin på ± 1/2. For eksempel kvarker af typen op (u, c og t) har T 3 = +1/2. De forvandler ned-type kvarker (d, s eller B), som har T 3 = -1/2, og vice versa. De bosons har en svag isospin 0 eller ± 1. Navnlig W + et T 3 = 1, og W - en T 3 = -1, som tillader selv-interaktioner af den svage vekselvirkning felt kaldet trilineær og kvadratiske koblinger.
Den svage isospin konserveres under henfaldene: Summen af de svage isospiner er identisk før og efter reaktionen. For eksempel henfalder et π + pion , som har en svag isospin +1, til et μ + muon af svagt isospin +1/2 og et muon neutrino v μ af svagt isospin +1/2.
Siden introduktionen af elektrosvækkende teori er der foreslået en ny ladning kaldet svag hyperladning . Det er en kombination af den elektriske ladning og svag isospin: . Den svage hyperladning er generatoren for U (1) -komponenten i SU (2) xU (1) elektrosvækkende målergruppe .
Fermi-interaktionen blev først fremhævet. I begyndelsen af XXI th århundrede, anses det for effektiv interaktion ved lave energier viser udveksling af W ± , som er elektrisk ladede, kobles til en strøm selv elektrisk ladet: det mest almindeligt anvendte af denne strøm består af en del, som tilintetgør en neutrino-elektron og skaber en elektron, eller omvendt, eller skaber / udsletter også et neutrino-positronpar eller de samme processer med antipartiklerne. Det spiller den samme rolle med neutron-proton-paret. Det er denne interaktion, der er grundlaget for neutronens β-henfald, som kan skematiseres ved reaktionen:
Da W har en høj masse, er reaktionstiden, hvor W er virtuel, meget kort, og interaktionen sker praktisk talt på plads, kogende ned til Fermi-punktinteraktionen:
Da partiklerne, der er til stede før reaktionen, og de der er til stede efter er forskellige, var det meget let at demonstrere β-henfaldene og dermed indirekte de elektrisk ladede strømme.
Z 0 giver anledning til den samme type reaktioner som W'erne, men den står over for hård konkurrence fra elektromagnetiske og stærke interaktioner. Det er derfor kun lykkedes os at demonstrere den elektrisk neutrale strøm, der kobles til Z ved at fremhæve reaktioner, hvor neutrinoen, der er til stede i starten, findes i slutningen. Dette krævede naturligvis at lave et eksperiment med en tilstrækkelig intens neutrino-stråle og tilstrækkelig energi til at have en sandsynlighed for at observere begivenheder. Denne force tour blev først opnået efter teoriens formulering indtil 1973 (se opdagelsen af neutrale strømme ).
Radioaktivitet har været kendt siden 1896, sondringen mellem α og β radioaktivitet foretaget siden 1899, transmutation mellem atomer etableret siden 1901 og tegn på energitab i processen akkumuleret mellem 1911 og 1927. Det er i 1930, at Wolfgang Pauli foreslog, at en meget lysneutral partikel blev udsendt, men endnu ikke observeret, og i 1934 foreslog Fermi en teori om β radioaktivitet, hvor neutrinoer udsendes. Denne teori forudsiger interaktioner med 4 fermioner (neutron, proton, elektron og neutrino), som udgør den første version af den svage interaktion.
Man troede længe, at naturlovene var identiske mellem to situationer, der afspejler hinanden i et spejl. Denne paritetslov blev respekteret af klassisk tyngdekraft, elektromagnetisme og stærk interaktion, og det blev antaget at være universel. Men i 1950'erne foreslog Chen Ning Yang og Tsung-Dao Lee , at den svage interaktion krænkede denne symmetri. Chien Shiung Wu og kolleger demonstrerede overtrædelsen af paritetssymmetri i 1957, og Yang og Lee blev tildelt Nobelprisen i fysik samme år.
Opdagelsen af krænkelsen af symmetri og fremkomsten af renormaliseringsteorier, der blev foreslået for Robert Marshak og George Sudarshan i 1957, derefter for Richard Feynman og Murray Gell-Mann for at ændre Fermi-teorien ved at indføre et kendetegn ved partikler kaldet chiralitet . I denne teori virker den svage interaktion kun på partikler fra venstre chiralitet, de med højre chiralitet er ikke følsomme over for den. I spejlesituationen ændres chiraliteten, og interaktionen virker derfor ikke på de samme partikler. På det tidspunkt var Z-bosonen ikke kendt, og teorien omfattede ikke de rigtige chiralitetsfelter, der forekommer i neutrale strømme.
Den nye teori introducerede en ny symmetri kaldet CP , som kombinerer paritet (permutation venstre til højre) og konjugation (permutation mellem partikler og antipartikler). Men i 1964, James Christenson, James Cronin , Val Fitch og René Turlay viste eksperimentelt, at denne symmetri også blev overtrådt i forfald kaons ; Cronin og Fitch vandt Nobelprisen i fysik i 1980 for dette resultat. I 1973 viste Makoto Kobayashi og Toshihide Maskawa , at CP-symmetriovertrædelse kræver en tredje generation af partikler i teoretiske modeller.
I 1979 modtog Abdus Salam , Sheldon Glashow og Steven Weinberg Nobelprisen i fysik for deres bidrag til den teoretiske forening mellem svag interaktion og elektromagnetisk interaktion , hvilket skabte standardmodellen for elektrosvækkende interaktion . Dens eksistens blev eksperimentelt bevist i to faser. Først og fremmest gjorde Gargamelle- samarbejdet i 1973 det muligt at opdage neutrale strømme. Derefter demonstrerede UA1 og UA2 i 1983 eksistensen af W- og Z-bosonerne; i 1984 vandt Carlo Rubbia og Simon van der Meer Nobelprisen i fysik for deres bidrag til disse eksperimenter.