Lực yếu là một trong bốn lực cơ bản chi phối mọi vật chất trong vũ trụ. Ba yếu tố còn lại là lực hấp dẫn, lực điện từ và lực mạnh. Trong khi các lực lượng khác giữ mọi thứ lại với nhau, thì một lực lượng yếu sẽ đóng một vai trò quan trọng trong việc phá vỡ chúng.
Lực yếu mạnh hơn lực hấp dẫn, nhưng nó chỉ hiệu quả ở những khoảng cách rất nhỏ. Lực lượng hoạt động ở cấp độ hạ nguyên tử và đóng một vai trò quan trọng trong việc cung cấp năng lượng cho các ngôi sao và tạo ra các nguyên tố. Nó cũng chịu trách nhiệm cho hầu hết các bức xạ tự nhiên trong vũ trụ.
Lý thuyết Fermi
Nhà vật lý người Ý Enrico Fermi đã phát triển một lý thuyết vào năm 1933 để giải thích sự phân rã beta, quá trình chuyển đổi một neutron thành một proton và trục xuất một điện tử, thường được gọi trong bối cảnh này là một hạt beta. Ông đã xác định được một loại lực mới, cái gọi là lực yếu, chịu trách nhiệm cho sự phân rã, quá trình cơ bản của sự biến đổi neutron thành proton, neutrino và electron, sau này được xác định là phản neutrino.
Fermi ban đầugiả định rằng không có khoảng cách và độ bám dính. Hai hạt phải tiếp xúc với nhau thì lực mới có tác dụng. Từ đó, người ta đã tiết lộ rằng lực yếu thực sự là một lực hấp dẫn tự biểu hiện trong một khoảng cách cực kỳ ngắn, bằng 0,1% đường kính của một proton.
Lực điện yếu
Trong phân rã phóng xạ, lực yếu nhỏ hơn lực điện từ xấp xỉ 100.000 lần. Tuy nhiên, hiện nay nó được biết về bản chất ngang bằng với điện từ, và hai hiện tượng rõ ràng khác biệt này được cho là biểu hiện của một lực điện yếu. Điều này được xác nhận bởi thực tế là chúng kết hợp ở năng lượng lớn hơn 100 GeV.
Đôi khi họ nói rằng tương tác yếu được biểu hiện trong sự phân rã của các phân tử. Tuy nhiên, lực giữa các phân tử có bản chất tĩnh điện. Chúng được phát hiện bởi van der Waals và mang tên của anh ấy.
Mẫu chuẩn
Tương tác yếu trong vật lý là một phần của mô hình chuẩn - lý thuyết về các hạt cơ bản, mô tả cấu trúc cơ bản của vật chất bằng cách sử dụng một tập hợp các phương trình tao nhã. Theo mô hình này, các hạt cơ bản, tức là không thể chia thành các phần nhỏ hơn, là các khối cấu tạo của vũ trụ.
Một trong những hạt này là hạt quark. Các nhà khoa học không cho rằng sự tồn tại của bất cứ thứ gì ít hơn, nhưng họ vẫn đang tìm kiếm. Có 6 loại hoặc nhiều loại quark. Hãy sắp xếp chúng theo thứ tựtăng khối lượng:
- đầu;
- hạ;
- lạ;
- mê;
- đáng yêu;
- đúng.
Trong nhiều sự kết hợp khác nhau, chúng tạo thành nhiều loại hạt hạ nguyên tử khác nhau. Ví dụ, proton và neutron - những hạt lớn của hạt nhân nguyên tử - mỗi hạt bao gồm ba quark. Hai phần trên và phần dưới tạo nên một proton. Một cái trên cùng và hai cái dưới cùng tạo thành một nơtron. Thay đổi loại quark có thể thay đổi một proton thành một neutron, do đó biến một nguyên tố này thành một nguyên tố khác.
Một loại hạt cơ bản khác là boson. Các hạt này là hạt mang tương tác, bao gồm các chùm năng lượng. Các photon là một loại boson, gluon là một loại khác. Mỗi lực trong số bốn lực này là kết quả của sự trao đổi các hạt mang tương tác. Tương tác mạnh được thực hiện bởi gluon và tương tác điện từ bởi photon. Về mặt lý thuyết, graviton là vật mang trọng lực, nhưng nó vẫn chưa được tìm thấy.
W- và Z-boson
Tương tác yếu được thực hiện bởi các boson W và Z. Những hạt này đã được dự đoán bởi những người đoạt giải Nobel Steven Weinberg, Sheldon Salam và Abdus Gleshow vào những năm 1960 và được phát hiện vào năm 1983 tại Tổ chức Nghiên cứu Hạt nhân Châu Âu CERN.
Các bosonW mang điện và được ký hiệu bằng các ký hiệu W+(tích điện dương) và W-(tích điện âm). W-boson làm thay đổi thành phần của các hạt. Bằng cách phát ra một boson W tích điện, lực yếu làm thay đổi loại quark, tạo ra một protonthành nơtron hoặc ngược lại. Đây là nguyên nhân gây ra phản ứng tổng hợp hạt nhân và khiến các ngôi sao bốc cháy.
Phản ứng này tạo ra các nguyên tố nặng hơn cuối cùng bị ném vào không gian bởi các vụ nổ siêu tân tinh để trở thành khối cấu tạo của các hành tinh, thực vật, con người và mọi thứ khác trên Trái đất.
Dòng trung tính
Z-boson là trung tính và mang dòng điện trung tính yếu. Tương tác của nó với các hạt rất khó phát hiện. Các cuộc tìm kiếm thực nghiệm đối với boson W và Z trong những năm 1960 đã đưa các nhà khoa học đến một lý thuyết kết hợp lực điện từ và lực yếu thành một "điểm yếu" duy nhất. Tuy nhiên, lý thuyết yêu cầu các hạt tải điện phải không trọng lượng, và các nhà khoa học biết rằng về mặt lý thuyết boson W sẽ phải nặng để giải thích tầm hoạt động ngắn của nó. Các nhà lý thuyết đã gán khối lượng W cho một cơ chế vô hình gọi là cơ chế Higgs, cơ chế này cung cấp sự tồn tại của boson Higgs.
Năm 2012, CERN báo cáo rằng các nhà khoa học sử dụng máy gia tốc lớn nhất thế giới, Máy va chạm Hadron Lớn, đã quan sát thấy một hạt mới "tương ứng với boson Higgs."
Beta Decay
Tương tác yếu được biểu hiện trong phân rã β - quá trình trong đó một proton biến thành một neutron và ngược lại. Nó xảy ra khi, trong một hạt nhân có quá nhiều neutron hoặc proton, một trong số chúng được chuyển đổi thành một hạt khác.
Phân rã beta có thể xảy ra theo một trong hai cách:
- Trong phân rã beta-trừ, đôi khi được viết làβ--decay, neutron tách thành một proton, một phản neutrino và một điện tử.
- Tương tác yếu được biểu hiện trong sự phân rã của hạt nhân nguyên tử, đôi khi được viết là β+-decay, khi một proton tách thành neutron, neutrino và positron.
Một trong các nguyên tố có thể biến thành một nguyên tố khác khi một trong các nơtron của nó tự phát thành proton thông qua phân rã-beta trừ, hoặc khi một trong các proton của nó tự nhiên biến thành nơtron thông qua β+-decay.
Phân rã beta kép xảy ra khi 2 proton trong hạt nhân đồng thời biến đổi thành 2 neutron hoặc ngược lại, dẫn đến phát xạ 2 electron-phản neutrino và 2 hạt beta. Trong một phân rã beta kép không neutrino giả thuyết, neutrino không được tạo ra.
Chụp điện tử
Một proton có thể biến thành neutron thông qua một quá trình gọi là bắt điện tử hoặc bắt K. Khi hạt nhân có số proton dư thừa so với số nơtron, thì điện tử, theo quy luật, từ lớp vỏ bên trong điện tử dường như rơi vào hạt nhân. Electron của quỹ đạo bị bắt bởi hạt nhân mẹ, sản phẩm của chúng là hạt nhân con và hạt neutrino. Số hiệu nguyên tử của hạt nhân con tạo thành giảm đi 1, nhưng tổng số hạt proton và nơtron không đổi.
Phản ứng nhiệt hạch
Lực yếu liên quan đến phản ứng tổng hợp hạt nhân, phản ứng cung cấp năng lượng cho mặt trời và bom nhiệt hạch (hydro).
Bước đầu tiên trong phản ứng tổng hợp hydro là sự va chạm của haicác proton với lực đủ mạnh để vượt qua lực đẩy lẫn nhau mà chúng phải chịu do tương tác điện từ của chúng.
Nếu cả hai hạt được đặt gần nhau, lực tương tác mạnh có thể kết dính chúng. Điều này tạo ra một dạng heli không ổn định (2He), có một hạt nhân với hai proton, trái ngược với dạng bền (4He), có hai neutron và hai proton.
Bước tiếp theo là tương tác yếu. Do dư thừa proton, một trong số chúng trải qua quá trình phân rã beta. Sau đó, các phản ứng khác, bao gồm sự hình thành trung gian và phản ứng tổng hợp3He, cuối cùng tạo thành một chất ổn định4He.
