Swak wisselwerking

Die swak wisselwerking of swak kernkrag is in fisika en deeltjiefisika een van die vier basiese natuurkragte. Die ander is die elektromagnetiese wisselwerking, sterk wisselwerking en swaartekrag.

Die swak wisselwerking is verantwoordelik vir die radioaktiewe verval van subatomiese deeltjies en sit die proses bekend as waterstoffusie in sterre aan die gang. Dit beïnvloed alle bekende fermione, dus deeltjies met ’n halftallige spin.

In die Standaardmodel van deeltjiefisika word die swak wisselwerking teories veroorsaak deur die uitruil (dus emissie of absorpsie) van W- en Z-bosone. As sulks word dit beskou as ’n niekontakkrag, nes die ander drie kragte. Dit word "swak" genoem omdat die tipiese veldsterkte daarvan verskeie ordes van magnitude minder is as dié van beide elektromagnetisme en die sterk wisselwerking. Dit vind net op baie klein, subatomiese afstande plaas, minder as die deursnee van ’n proton. Die meeste deeltjies sal mettertyd deur ’n swak wisselwerking verval.

Agtergrond

Die Standaardmodel verskaf ’n eenvormige raamwerk om die elektromagnetiese, swak en sterk wisselwerking te verstaan. ’n Wisselwerking vind plaas wanneer twee deeltjies, gewoonlik maar nie altyd nie fermione met ’n halftallige spin, kragdraende bosone met ’n voltallige spin uitruil. Die fermione wat by so ’n uitruiling betrokke is, kan óf elementêre deeltjies (soos elektrone of kwarke) óf saamgestelde deeltjies (soos protone of neutrone) wees. Op die diepste vlakke is alle swak wisselwerkings eindelik tussen elementêre deeltjies.

In die geval van swak wisselwerkings kan fermione drie soorte kragdraers uitruil, bekend as W⁺-, W^-- en Z-bosone. Die massa van elk van hierdie bosone is veel groter as dié van ’n proton of neutron.

Kwarke, wat saamgestelde deeltjies soos protone en neutrone vorm, kom in ses "geure" voor – op, af, vreemd, sjarme, bo en onder – wat aan daardie saamgestelde deeltjies hul eienskappe gee. Die swak wisselwerking is uniek deurdat dit kwarke toelaat om hul geur vir ’n ander te ruil. Die uitruil van dié eienskappe word deur die kragdraende bosone bemiddel. Tydens β⁻-verval verander ’n afkwark in ’n neutron byvoorbeeld in ’n opkwark, en dit verander so die neutron in ’n proton. In die proses word ’n elektron en elektron-antineutrino ook geproduseer.

Dit is die enigste basiese wisselwerking wat pariteitsimmetrie verbreek, en ook die enigste een wat ladingpariteitsimmetrie verbreek.

Ander belangrike voorbeelde van verskynsels waarby die swak wisselwerking betrokke is, sluit in betaverval en die fusie van waterstof in helium, wat die Son se termokernproses aandryf. Die meeste fermione sal mettertyd deur ’n swak wisselwerking verval. So ’n verval maak radiokoolstofdatering moontlik, omdat koolstof-14 deur die swak wisselwerking in stikstof-14 verval.

Tydens die kwark-epog van die vroeë heelal het die swak wisselwerking vertak in die elektromagnetiese en swak krag.

Eienskappe

Die verskillende vervalroetes deur die swak wisselwerking en aanduidings van hul waarskynlikheid. Die intensiteit van die lyne word aangegee volgens die CKM-parameters.

Die swak wisselwerking is in verskeie opsigte uniek:

Dit is die enigste wisselwerking wat die geur van kwarke kan verander (dus ’n kwark in ’n ander soort kan verander).
Dit is die enigste wisselwerking wat pariteitsimmetrie oortree, en die enigste een wat ladingspariteitsimmetrie oortree.
Dit word bemiddel deur kragdraende deeltjies wat ’n groot massa het, ’n ongewone eienskap wat in die Standaardmodel deur die Higgs-meganisme verduidelik word.

Vanweë hul groot massa (sowat 90 GeV/c²)^[1] het hierdie draerdeeltjies, die W- en Z-bosone, ’n kort leeftyd van minder as 10^-24 sekondes.^[2]

Die swak wisselwerking het ’n koppelingskonstante (’n aanduiding van die sterkte van die wisselwerking) van tussen 10^-7 en 10^-6; in vergelyking hiermee het die sterk wisselwerking ’n koppelingskonstante van 1 en die elektromagnetiese wisselwerking ’n koppelingskonstante van sowat 10^-2.^[3] Daarom is die swak wisselwerking swak in terme van sterkte.^[4]

Dit het ook ’n kort reikwydte (sowat 10^-17 tot 10^-16 m).^[4])^[3] Op ’n afstand van sowat 10^-18 m het die swak wisselwerking min of meer dieselfde sterkte as die elektromagnetiese krag, maar dit begin eksponensieel afneem met toenemende afstande. Op ’n afstand van sowat 3×10^-17 m is die swak wisselwerking 10 000 keer swakker as die elektromagnetiese krag.^[5]

Die swak wisselwerking beïnvloed al die fermione van die Standaardmodel, sowel as die Higgs-boson. Neutrino's se wisselwerking vind slegs deur swaartekrag en die swak wisselwerking plaas, en neutrino's was die oorspronklike rede vir die naam "swak krag".^[4] Die swak wisselwerking skep nie gebonde toestande nie en betrek nie bindingsenergie nie – iets wat swaartekrag doen op ’n astronomiese skaal, die elektromagnetiese krag op atoomvlak en die sterk kernkrag in atoomkerns.^[6]

Die opmerklikste uitwerking van die swak wisselwerking is vanweë sy eerste unieke eienskap: geurverandering. ’n Neutron is byvoorbeeld swaarder as ’n proton (die ander soort nukleon), maar kan nie in ’n proton verval sonder dat die geur (tipe) van een van sy twee afkwarke in dié van ’n opkwark verander nie. Nie die sterk of elektromagnetiese krag laat geurverandering toe nie; dit geskied dus net deur swak verval. Sonder swak verval sou kwarkeienskappe soos vreemdheid en sjarme (wat met die kwarke van dieselfde name verbind word) ook deur alle wisselwerkings behoue gebly het.

Alle mesone is onstabiel weens swak verval.^[7] In die proses bekend as betaverval kan die afkwark in die neutron in ’n opkwark verander deur die vrystelling van ’n virtuele W⁻-boson, wat dan in ’n elektron en elektron-antineutrino verander.^[8] Nog ’n voorbeeld is elektronvangs, ’n algemene soort verval waarin ’n proton en elektron in ’n atoom ’n wisselwerking op mekaar uitoefen en in ’n neutron verander (’n opkwark word in ’n afkwark verander), en ’n elektronneutrino word vrygestel.

Vanweë die groot massa van die W-bosone geskied die transformasie of verval van deeltjies wat deur die swak wisselwerking bemiddel word, gewoonlik baie stadiger as met die sterk en elektromagnetiese krag. ’n Neutrale pion verval byvoorbeeld elektromagneties en het ’n leeftyd van sowat 10^-16 sekondes. In teenstelling hiermee kan ’n veranderde pion net deur die swak wisselwerking verval en dus het dit ’n leeftyd van sowat 10^-8 sekondes, of honderdmiljoen keer langer as dié van ’n neutrale pion.^[9] ’n Besonder ekstreme voorbeeld is die verval van ’n vrye proton deur die swak wisselwerking, wat sowat 15 minute duur.^[8]

Swak isospin en swak hiperlading

**Linkshandige fermione in die Standaardmodel**^[10]
Generasie 1			Generasie 2			Generasie 3
Fermion	Simbool	Swak isospin	Fermion	Simbool	Swak isospin	Fermion	Simbool	Swak isospin
Elektronneutrino	$\nu _{e}\,$	$+1/2\,$	Muonneutrino	$\nu _{\mu }\,$	$+1/2\,$	Tauneutrino	$\nu _{\tau }\,$	$+1/2\,$
Elektron	$e^{-}\,$	$-1/2\,$	Muon	$\mu ^{-}\,$	$-1/2\,$	Tau	$\tau ^{-}\,$	$-1/2\,$
Opkwark	$u\,$	$+1/2\,$	Sjarmekwark	$c\,$	$+1/2\,$	Bokwark	$t\,$	$+1/2\,$
Afkwark	$d\,$	$-1/2\,$	Vreemdkwark	$s\,$	$-1/2\,$	Onderkwark	$b\,$	$-1/2\,$
Al die linkshandige ("gewone") deeltjies hierbo het ooreenstemmende regshandige antideeltjies met gelyke en teenoorgestelde swak isospin.
Alle regshandige ("gewone") deeltjies en linkshandige antideeltjies het swak isospin van 0.

Alle deeltjies het ’n eienskap genaamd swak isospin (simbool T₃), wat as ’n kwantumgetal dien en bepaal hoe daardie deeltjie in die swak wisselwerking optree. Swak isospin speel dieselfde rol in die swak wisselwerking as elektriese lading in elektromagnetisme en kleurlading in die sterk wisselwerking. Alle linkshandige fermione het ’n swak isospin van óf +¹⁄₂ óf −¹⁄₂. Die opkwark het byvoorbeeld ’n T₃ van +¹⁄₂ en die afkwark −¹⁄₂. ’n Kwark verval nooit deur die swak wisselwerking in ’n kwark met dieselfde T₃ nie: Kwarke met ’n T₃ van +¹⁄₂ verval net in kwarke met ’n T₃ van −¹⁄₂ en omgekeerd.

In enige gegewe wisselwerking bly swak isospin behoue: Die som van die deeltjies se swak isospin voor die wisselwerking is dieselfde as daarna. ’n (Linkshandige) π⁺, met ’n swak isospin van 1, verval byvoorbeeld gewoonlik in ’n ν_μ (+¹⁄₂) en ’n μ⁺ (as ’n regshandige antideeltjie, +¹⁄₂).^[9]

Ná die ontwikkeling van die elektroswakteorie is nog ’n eienskap, swak hiperlading, ontwikkel. Dit hang af van die deeltjie se elektriese lading en swak isospin, en word so bereken:

$\qquad Y_{W}=2(Q-T_{3})$

waar Y_W die swak hiperlading van ’n gegewe soort deeltjie is, Q die elektriese lading (in elementêre lading-eenhede) en T₃ die swak isospin. Terwyl sommige deeltjies ’n swak isospin van nul het, het geen spin-¹⁄₂-deeltjies ’n swak hiperlading van nul nie.

Verwysings

↑ W.-M. Yao et al. (Particle Data Group) (2006). "Review of Particle Physics: Quarks" (PDF). Journal of Physics G. 33: 1–1232. arXiv:astro-ph/0601168. Bibcode:2006JPhG...33....1Y. doi:10.1088/0954-3899/33/1/001.
↑ Peter Watkins (1986). Story of the W and Z. Cambridge: Cambridge University Press. p. 70. ISBN 978-0-521-31875-4.
↑ ^3,0 ^3,1 "Coupling Constants for the Fundamental Forces". HyperPhysics (in Engels). Georgia State University. Geargiveer vanaf die oorspronklike op 29 Mei 2020. Besoek op 2 Maart 2011.
↑ ^4,0 ^4,1 ^4,2 J. Christman (2001). "The Weak Interaction" (PDF). Physnet. Michigan State University. Geargiveer vanaf die oorspronklike (PDF) op 20 Julie 2011.
↑ "Electroweak". The Particle Adventure (in Engels). Particle Data Group. Geargiveer vanaf die oorspronklike op 29 Mei 2020. Besoek op 3 Maart 2011.
↑ Walter Greiner; Berndt Müller (2009). Gauge Theory of Weak Interactions. Springer. p. 2. ISBN 978-3-540-87842-1.
↑ Cottingham & Greenwood (1986, 2001), p.29
↑ ^8,0 ^8,1 Cottingham & Greenwood (1986, 2001), p.28
↑ ^9,0 ^9,1 Cottingham & Greenwood (1986, 2001), p.30
↑ Baez, John C.; Huerta, John (2009). "The Algebra of Grand Unified Theories". Bull. Am. Math. Soc. 0904: 483–552. arXiv:0904.1556. Bibcode:2009arXiv0904.1556B. doi:10.1090/s0273-0979-10-01294-2. Besoek op 15 Oktober 2013.

Eksterne skakels

Harry Cheung, The Weak Force @Fermilab
Fundamental Forces @Hyperphysics, Georgia State University.
Brian Koberlein, What is the weak force? Geargiveer 2 Desember 2016 op Wayback Machine
Hierdie artikel is vertaal uit die Engelse Wikipedia

[PDG-1] W.-M. Yao et al. (Particle Data Group) (2006). "Review of Particle Physics: Quarks" (PDF). Journal of Physics G. 33: 1–1232. arXiv:astro-ph/0601168. Bibcode:2006JPhG...33....1Y. doi:10.1088/0954-3899/33/1/001.

[2] Peter Watkins (1986). Story of the W and Z. Cambridge: Cambridge University Press. p. 70. ISBN 978-0-521-31875-4.

[coupling-3] 3,0 ^3,1 "Coupling Constants for the Fundamental Forces". HyperPhysics (in Engels). Georgia State University. Geargiveer vanaf die oorspronklike op 29 Mei 2020. Besoek op 2 Maart 2011.

[physnet-4] 4,0 ^4,1 ^4,2 J. Christman (2001). "The Weak Interaction" (PDF). Physnet. Michigan State University. Geargiveer vanaf die oorspronklike (PDF) op 20 Julie 2011.

[5] "Electroweak". The Particle Adventure (in Engels). Particle Data Group. Geargiveer vanaf die oorspronklike op 29 Mei 2020. Besoek op 3 Maart 2011.

[greiner-6] Walter Greiner; Berndt Müller (2009). Gauge Theory of Weak Interactions. Springer. p. 2. ISBN 978-3-540-87842-1.

[7] Cottingham & Greenwood (1986, 2001), p.29

[Cott28-8] 8,0 ^8,1 Cottingham & Greenwood (1986, 2001), p.28

[Cottingham30-9] 9,0 ^9,1 Cottingham & Greenwood (1986, 2001), p.30

[baez-10] Baez, John C.; Huerta, John (2009). "The Algebra of Grand Unified Theories". Bull. Am. Math. Soc. 0904: 483–552. arXiv:0904.1556. Bibcode:2009arXiv0904.1556B. doi:10.1090/s0273-0979-10-01294-2. Besoek op 15 Oktober 2013.

[1]

[2]

[3]

[4]

[5]

[6]

[7]

[8]

[9]

[10]