Nõrk jõud on üks neljast põhijõust, mis juhivad kogu universumi ainet. Ülejäänud kolm on gravitatsioon, elektromagnetism ja tugev jõud. Kui teised jõud hoiavad asju koos, siis nõrk jõud mängib nende lagunemisel suurt rolli.
Nõrk jõud on tugevam kui gravitatsioon, kuid see on efektiivne ainult väga väikestel vahemaadel. Jõud toimib subatomilisel tasemel ja mängib olulist rolli tähtede energia varustamisel ja elementide loomisel. See vastutab ka enamiku universumi loodusliku kiirguse eest.
Fermi teooria
Itaalia füüsik Enrico Fermi töötas 1933. aastal välja teooria, et selgitada beetalagunemist, neutroni prootoniks muutmise ja elektroni väljutamise protsessi, mida selles kontekstis sageli nimetatakse beetaosakeseks. Ta tuvastas uut tüüpi jõu, nn nõrga jõu, mis vastutab lagunemise eest, neutroni prootoniks, neutriinoks ja elektroniks muutumise põhiprotsessi eest, mis hiljem identifitseeriti antineutriinoks.
Fermi algselteeldas, et kaugus ja haardumine on null. Jõu toimimiseks pidid kaks osakest kokku puutuma. Pärast seda on selgunud, et nõrk jõud on tegelikult külgetõmbejõud, mis avaldub väga lühikese vahemaa tagant, mis on võrdne 0,1% prootoni läbimõõdust.
Electroweak force
Radioaktiivse lagunemise korral on nõrk jõud ligikaudu 100 000 korda väiksem kui elektromagnetiline jõud. Nüüd on aga teada, et see on olemuselt võrdne elektromagnetilisega ja arvatakse, et need kaks erinevat nähtust on ühe elektrinõrga jõu ilmingud. Seda kinnitab tõsiasi, et need ühinevad energiatel, mis on suuremad kui 100 GeV.
Mõnikord öeldakse, et nõrk vastastikmõju avaldub molekulide lagunemises. Molekulidevahelised jõud on aga elektrostaatilise iseloomuga. Need avastas van der Waals ja need kannavad tema nime.
Standardmudel
Nõrk interaktsioon füüsikas on osa standardmudelist – elementaarosakeste teooriast, mis kirjeldab elegantsete võrrandite kogumi abil mateeria põhistruktuuri. Selle mudeli järgi on universumi ehituskivideks elementaarosakesed, st need, mida ei saa jagada väiksemateks osadeks.
Üks neist osakestest on kvark. Teadlased ei eelda millegi vähema olemasolu, kuid nad otsivad siiski. Kvarke on 6 tüüpi või sorti. Paneme need järjekordamassi suurenemine:
- top;
- madalam;
- veider;
- lummatud;
- armas;
- true.
Erinevates kombinatsioonides moodustavad nad palju erinevaid subatomaarseid osakesi. Näiteks prootonid ja neutronid – aatomituuma suured osakesed – koosnevad igaüks kolmest kvargist. Kaks ülemist ja alumine moodustavad prootoni. Ülemine ja kaks alumist moodustavad neutroni. Kvargi tüübi muutmine võib muuta prootoni neutroniks, muutes seeläbi ühe elemendi teiseks.
Teine elementaarosakeste tüüp on boson. Need osakesed on interaktsioonikandjad, mis koosnevad energiakiirtest. Footonid on ühte tüüpi bosonid, gluoonid teist tüüpi. Kõik need neli jõudu on interaktsioonikandjate vahetuse tulemus. Tugeva interaktsiooni viib läbi gluoon ja elektromagnetilise interaktsiooni footon. Graviton on teoreetiliselt gravitatsiooni kandja, kuid seda pole leitud.
W- ja Z-bosonid
Nõrka interaktsiooni kannavad W- ja Z-bosonid. Neid osakesi ennustasid Nobeli preemia laureaadid Steven Weinberg, Sheldon Salam ja Abdus Gleshow 1960. aastatel ning need avastasid 1983. aastal Euroopa Tuumauuringute Organisatsioonis CERN.
W-bosonid on elektriliselt laetud ja neid tähistatakse sümbolitega W+ (positiivselt laetud) ja W- (negatiivselt laetud). W-boson muudab osakeste koostist. Elektriliselt laetud W-bosoni kiirgamisel muudab nõrk jõud kvargi tüüpi, moodustades prootonineutroniks või vastupidi. See põhjustab tuumasünteesi ja tähtede põlemise.
See reaktsioon tekitab raskemaid elemente, mis lõpuks supernoova plahvatuste tagajärjel kosmosesse paiskuvad, et saada planeetide, taimede, inimeste ja kõige muu maa peal ehituskivideks.
Neutraalvool
Z-boson on neutraalne ja kannab nõrka neutraalvoolu. Selle koostoimet osakestega on raske tuvastada. W- ja Z-bosonite eksperimentaalsed otsingud 1960. aastatel viisid teadlased teooriani, mis ühendab elektromagnetilised ja nõrgad jõud üheks "elektrivooluks". Teooria nõudis aga, et kandeosakesed oleksid kaalutud ja teadlased teadsid, et teoreetiliselt peaks W-boson olema raske, et selgitada oma lühiulatust. Teoreetikud on omistanud massi W nähtamatule mehhanismile, mida nimetatakse Higgsi mehhanismiks ja mis näeb ette Higgsi bosoni olemasolu.
2012. aastal teatas CERN, et teadlased, kes kasutasid maailma suurimat kiirendit Large Hadron Collider, on täheldanud uut osakest, mis "vastab Higgsi bosonile".
Beeta lagunemine
Nõrk vastastikmõju avaldub β-lagunemises – protsessis, mille käigus prooton muutub neutroniks ja vastupidi. See tekib siis, kui tuumas, kus on liiga palju neutroneid või prootoneid, muundatakse üks neist teiseks.
Beeta lagunemine võib toimuda kahel viisil:
- Miinus-beeta lagunemises, mõnikord kirjutatud kujulβ− -lagunemisel neutron jaguneb prootoniks, antineutriinoks ja elektroniks.
- Nõrk vastastikmõju avaldub aatomituumade lagunemises, mida mõnikord kirjutatakse β+-lagunemises, kui prooton jaguneb neutroniks, neutriinoks ja positroniks.
Üks elementidest võib muutuda teiseks, kui üks selle neutronitest muutub miinus-beeta lagunemise käigus spontaanselt prootoniks või kui üks selle prootonitest muutub spontaanselt neutroniks läbi β+-lagunemine.
Kahekordne beetalagunemine toimub siis, kui tuumas olevad 2 prootonit muundatakse samaaegselt kaheks neutroniks või vastupidi, mille tulemuseks on 2 elektron-antineutriinot ja 2 beetaosakest. Hüpoteetilise neutriinivaba topelt-beetalagunemise korral neutriinod ei teki.
Elektrooniline jäädvustamine
Prooton võib muutuda neutroniks protsessi kaudu, mida nimetatakse elektronide püüdmiseks või K-püüdmiseks. Kui tuumas on neutronite arvu suhtes liigne prootonite arv, näib reeglina, et elektron sisemisest elektronkihist langeb tuuma. Orbitaali elektroni püüab kinni lähtetuum, mille produktideks on tütartuum ja neutriino. Saadud tütartuuma aatomarv väheneb 1 võrra, kuid prootonite ja neutronite koguarv jääb samaks.
Fusioonreaktsioon
Nõrk jõud osaleb termotuumasünteesis, reaktsioonis, mis toidab päikest ja termotuumasünteesi (vesinik)pomme.
Vesiniku termotuumasünteesi esimene samm on kahe kokkupõrgeprootonid, millel on piisav jõud, et ületada vastastikune tõuge, mida nad kogevad elektromagnetilise vastasmõju tõttu.
Kui mõlemad osakesed asetsevad üksteise lähedal, võib tugev vastastikmõju neid siduda. See loob heeliumi ebastabiilse vormi (2He), millel on kahe prootoniga tuum, erinev alt stabiilsest vormist (4He), millel on kaks neutronit ja kaks prootonit.
Järgmine samm on nõrk interaktsioon. Prootonite ülejäägi tõttu toimub üks neist beetalagunemisest. Pärast seda moodustavad muud reaktsioonid, sealhulgas vahepealne moodustumine ja ühinemine 3Ta, lõpuks stabiilse 4Tema.
