Apa interaksi lemah dalam fisika?

Interaksi lemah adalah salah satu dari empat kekuatan fundamental yang mengatur semua materi di alam semesta. Tiga lainnya adalah gravitasi, elektromagnetisme dan interaksi yang kuat. Sementara kekuatan lain saling menyatukan, kekuatan yang lemah memainkan peran besar dalam kehancuran mereka.

Interaksi lemah lebih kuat daripada gravitasi, namun efektif hanya pada jarak yang sangat kecil. Gaya tersebut bekerja pada tingkat subatomik dan memainkan peran yang menentukan dalam memberikan energi bintang dan elemen menciptakan. Hal ini juga bertanggung jawab untuk sebagian besar radiasi alami di alam semesta.

Teori Fermi

Fisika Italia Enrico Fermi pada tahun 1933 mengembangkan teori untuk menjelaskan peluruhan beta - proses mengubah neutron menjadi proton dan menggeser elektron, yang sering disebut dalam konteks ini sebagai partikel beta. Dia mendefinisikan jenis kekuatan baru, yang disebut interaksi lemah, yang bertanggung jawab atas pembusukan, proses mendasar dari konversi neutron menjadi proton, neutrino, dan elektron, yang kemudian didefinisikan sebagai antineutrino.

Fermi awalnya berasumsi bahwa ada jarak nol dan pegangan. Dua partikel harus bersentuhan, sehingga gaya bekerja. Sejak saat itu, telah ditemukan bahwa interaksi yang lemah sebenarnya merupakan kekuatan yang menarik yang memanifestasikan dirinya pada jarak yang sangat dekat dengan 0,1% diameter proton.

Kekuatan electroweak

Dalam peluruhan radioaktif, gaya yang lemah kira-kira 100.000 kali lebih kecil dari yang elektromagnetik. Namun demikian, sekarang diketahui bahwa secara internal sama dengan elektromagnetik, dan kedua fenomena yang jelas berbeda ini diyakini mewakili manifestasi gaya electroweak tunggal. Hal ini ditegaskan oleh fakta bahwa mereka menggabungkan energi di atas 100 GeV.

Terkadang dikatakan bahwa interaksi yang lemah dimanifestasikan dalam pembusukan molekul. Namun, kekuatan antarmolekul memiliki sifat elektrostatik. Mereka ditemukan oleh Van der Waals dan diberi namanya.

Model standar

Interaksi lemah dalam fisika adalah bagian dari model standar - teori partikel dasar, yang menggambarkan struktur dasar materi, dengan menggunakan seperangkat persamaan elegan. Menurut model ini, partikel elementer, yaitu, apa yang tidak dapat dibagi menjadi bagian yang lebih kecil, adalah blok bangunan alam semesta.

Salah satu partikel tersebut adalah quark. Ilmuwan tidak mengharapkan adanya sesuatu yang kurang, namun mereka tetap memandang. Ada enam jenis, atau varietas quark. Kami menempatkan mereka dalam rangka meningkatkan massa:

• Atas;
• Lebih rendah;
• Aneh;
• Terpikat;
• Menggemaskan;
• Benar

Dalam berbagai kombinasi, mereka membentuk berbagai jenis partikel subatomik. Misalnya, proton dan neutron - partikel besar inti atom - terdiri dari tiga quark. Dua bagian atas dan bawah merupakan proton. Bagian atas dan dua bagian bawah membentuk neutron. Mengubah nilai quark dapat mengubah proton menjadi neutron, sehingga mengubah satu elemen menjadi elemen lainnya.

Jenis partikel elementer lainnya adalah boson. Partikel-partikel ini adalah pembawa interaksi, yang terdiri dari balok energi. Foton adalah satu jenis boson, gluon lain. Masing-masing dari empat kekuatan ini adalah hasil pertukaran vektor interaksi. Interaksi yang kuat dilakukan oleh gluon, dan interaksi elektromagnetik oleh foton. Graviton secara teoritis adalah pembawa gravitasi, tapi tidak ditemukan.

Boson W dan Z

Interaksi yang lemah dibawa oleh boson W dan Z. Partikel ini diprediksi oleh pemenang Hadiah Nobel Steven Weinberg, Sheldon Salam dan Abdus Glashow pada tahun 60an abad yang lalu, dan menemukannya pada tahun 1983 di Organisasi Eropa untuk Riset Nuklir CERN.

W-boson bermuatan listrik dan dilambangkan dengan simbol W ⁺ (bermuatan positif) dan W ^- (bermuatan negatif). W-boson mengubah komposisi partikel. Dengan memancarkan W-boson bermuatan listrik, gaya yang lemah mengubah nilai quark, mengubah proton menjadi neutron atau sebaliknya. Inilah yang menyebabkan fusi nuklir dan membuat bintang-bintang terbakar.

Reaksi ini menciptakan unsur-unsur yang lebih berat yang akhirnya dilempar ke angkasa oleh ledakan supernova untuk menjadi bahan bangunan bagi planet, tumbuhan, manusia dan segala hal lainnya di Bumi.

Arus netral

Z-boson netral dan membawa arus netral lemah. Interaksinya dengan partikel sulit dideteksi. Pencarian eksperimental untuk W dan Z-boson pada tahun 1960 membawa ilmuwan ke sebuah teori yang menggabungkan kekuatan elektromagnetik dan lemah ke dalam sebuah elektroweak tunggal. Namun, teori tersebut mengharuskan partikel pembawa tidak berbobot, dan para ilmuwan tahu bahwa secara teoritis W-boson harus berat untuk menjelaskan jaraknya yang pendek. Teoretisi menghubungkan massa W dengan mekanisme tak terlihat yang disebut mekanisme Higgs, yang memberi adanya boson Higgs.

Pada tahun 2012, CERN melaporkan bahwa para ilmuwan yang menggunakan akselerator terbesar di dunia - Large Hadron Collider - mengamati partikel baru "yang sesuai dengan Higgs boson."

Peluruhan beta

Interaksi lemah memanifestasikan dirinya dalam β-peluruhan - sebuah proses di mana proton diubah menjadi neutron dan sebaliknya. Hal itu terjadi ketika di dalam inti dengan terlalu banyak neutron atau proton, salah satunya diubah menjadi atom lain.

Peluruhan beta dapat dilakukan dengan salah satu dari dua cara berikut:

1. Dalam kasus peluruhan beta minus, kadang-kadang ditulis sebagai peluruhan β, neutron terbagi menjadi proton, antineutrinos, dan elektron.
2. Interaksi lemah memanifestasikan dirinya dalam pembusukan nukleus atom, kadang-kadang ditulis sebagai peluruhan β ⁺ , bila proton dipecah menjadi neutron, neutrino dan positron.

Salah satu elemen bisa berubah menjadi yang lain saat salah satu neutronnya berubah menjadi proton melalui peluruhan beta minus, atau ketika salah satu protonnya berubah menjadi neutron melalui peluruhan β ⁺ .

Peluruhan beta ganda terjadi ketika 2 proton dalam inti secara bersamaan berubah menjadi 2 neutron atau sebaliknya, sebagai akibatnya 2 elektron-antineutrinos dan 2 partikel beta dipancarkan. Dalam peluruhan beta ganda hipotetis, neutrino tidak terbentuk.

Tangkap Elektronik

Proton bisa berubah menjadi neutron melalui proses yang disebut tangkapan elektron atau K-capture. Bila ada jumlah proton yang berlebihan di nukleus sehubungan dengan jumlah neutron, elektron, sebagai suatu peraturan, jatuh dari cakar elektron dalam ke dalam nukleus. Elektron orbital ditangkap oleh nukleus induk, produknya adalah nukleus anak perempuan dan neutrino. Jumlah atom dari inti putri yang diperoleh menurun sebesar 1, namun jumlah proton dan neutron tetap sama.

Reaksi termonuklir

Interaksi lemah mengambil bagian dalam sintesis nuklir - sebuah reaksi yang memasok energi ke bom matahari dan thermonuklir (hidrogen).

Tahap pertama dalam perpaduan hidrogen adalah tumbukan dua proton dengan kekuatan yang cukup untuk mengatasi tolakan yang mereka alami karena interaksi elektromagnetiknya.

Jika kedua partikel ditempatkan berdekatan, interaksi yang kuat bisa mengikatnya. Ini menciptakan bentuk helium yang tidak stabil ( ² Dia), yang memiliki nukleus dengan dua proton, berbeda dengan bentuk stabil ( ⁴ He), yang memiliki dua neutron dan dua proton.

Pada tahap selanjutnya, interaksi yang lemah memasuki permainan. Karena banyaknya proton, salah satunya mengalami pembusukan beta. Setelah ini, reaksi lain, termasuk pembentukan antara dan perpaduan ³ Dia, akhirnya membentuk stabil ⁴ Dia.