Svak kjernekraft

Referanseløs: Denne artikkelen inneholder en liste over kilder, litteratur eller eksterne lenker, men enkeltopplysninger lar seg ikke verifisere fordi det mangler konkrete kildehenvisninger i form av fotnotebaserte referanser. Du kan hjelpe til med å sjekke opplysningene mot kildemateriale og legge inn referanser. Opplysninger uten kildehenvisning i form av referanser kan bli fjernet.

Svak kjernekraft eller svak vekselvirkning er en av fire grunnleggende krefter i naturen. De tre andre er sterk kjernekraft, elektromagnetisme og gravitasjon. I standardmodellen opptrer den ved utveksling av tunge W- og Z-bosoner. Den mest kjente effekten er betahenfall der nøytroner sender ut betastråling (et elektron), og blir til et proton. Dette er hovedårsaken til radioaktivitet i grunnstoffene. Betegnelsen «svak» skyldes at den er omtrent 10¹³ ganger svakere enn den sterke kjernekraften.

Svak vekselvirkning påvirker alle venstrehendte leptoner og kvarker. Dette er den eneste kraften som påvirker nøytrinoer (unntatt gravitasjon som er uten betydning på subatomært nivå). Svak vekselvirkning er unik på en rekke felter:

• Det er den eneste av de fundamentale kreftene som kan endre «smak» (engelsk: «flavour») for leptoner og kvarker. Partikkelen endres til en annen partikkel av samme type, f.eks fra ned til oppkvark eller myon til myon-nøytrino. Dette er årsaken til at vanlig stabil materie bare inneholder opp- og nedkvarker og elektroner.
• Det er den eneste kraften som bryter paritet (P-symmetri der ${\displaystyle f(x,y,z)=f(-x,-y,-z)}$ også kalt speilingssymmetri) fordi den bare virker på venstrehendte partikler og høyrehendte antipartikler (se Helisitet). Det er også den eneste kraft som bryter CP-symmetri (Ladning og paritet).
• Den formidles av tunge vekselvirkningskvanter (engelsk: «gauge bosons») som i standardmodellen forklares av Higgs-mekanismen. Elektromagnetisme formidles av masseløse fotoner, og sterk kjernekraft av gluoner uten masse og pioner med masse på en tusendel av W- og Z- bosoner.

Følgende partikler er tunge vekselvirkningskvanter:

Navn	Ladning e	Spinn	Masse GeV
W+	+1	1	80.4
W-	-1	1	80.4
Z0	0	1	91.2

Partiklene er ca. 100 ganger tyngre enn protoner og nøytroner. Uskarphetsrelasjonen gir en grense for hvor langt disse partiklene kan rekke før de reabsorberes når de beveger seg med lyshastighet:

Uskarphetsrelasjonen ${\displaystyle \Delta E\Delta t\geq {\frac {h}{4\pi }}}$

Rekkevidde ${\displaystyle R=\Delta tc}$ gir

${\displaystyle R\leq {\frac {hc}{E4\pi }}}$ som gir rekkevidden 1,0-1,2•10⁻¹⁸m

Og levetiden ${\displaystyle \Delta t=R/c}$ er bare omkring 3•10⁻²⁵s

Svak vekselvirkning har derfor vesentlig kortere rekkevidde (1/1000) og styrke (1/10¹³) enn den sterke kjernekraften. Den vesentlig observerbare effekten er smaksendring (engelsk: «flavour change») når en kvark eller et lepton endrer type. Et nøytron består av tre kvarker (opp-ned-ned) og selv om det har høyere energi enn et proton (opp-opp-ned) kan det ikke nedbrytes uten smaksendring. Svak nedbrytning endrer en ned kvark til en opp kvark. Dette skjer ved avgivelse av et W^- boson som raskt nedbrytes videre til et elektron og en antinøytrino. Dette kalles betanedbrytning fordi elektroner med høy energi er betastråling. W-bosoner har langt høyere energi (80.4 GeV) enn nukleonene (ca. 940 MeV for nøytronet), og også de resulterende partiklene (elektronet 510 keV og antinøytrinoet 2,2 eV pluss deres energinivå). Dette er mulig fordi produktet av energi og tid er mindre enn den grensen som settes av uskarphetsrelasjonen, og beskrives ofte som vekselvirkning ved virtuelle partikler. Fordi svak vekselvirkning er relativt svak, er svak nedbrytning mye langsommere enn sterk eller elektromagnetisk nedbrytning. Som eksempel vil et elektromagnetisk nedbrutt nøytralt pion ha en levetid på omtrent 10⁻¹⁶ sekunder mens et svakt nedbrutt ladet pion lever omtrent 10⁻⁸ s. Et fritt nøytron har en halveringstid på ca. 15 minutter, og er den ustabile subatomære partikkelen med lengst levetid. (Som nukleon i en atomkjerne kan nøytronet være stabilt eller ha kortere levetid avhengig av kjernekonfigurasjonen, protoner og elektroner er stabile)

Svak vekselvirkning har tre grunnleggende interaksjoner. To foregår ved ladede bosoner (W⁺ og W^-) og kalles ladet strøm-vekselvirkning (engelsk: «charged current»), mens den tredje typen kalles nøytral strøm-vekselvirkning(engelsk: «neutral current») ved Z⁰ bosonet:

• Et ladet lepton kan absorbere eller avgi et W-boson og endre type fra et elektron, muon eller tau lepton partikkel eller antipartikkel til en tilsvarende nøytrino (elektron, muon eller tau neutrino/antinøytrino).
• En kvark kan absorbere eller avgi et W-boson og endre smak (engelsk:«flavour») til en annen kvark med forskjellig ladning. Nedbrytning går alltid fra en massiv til en lettere kvark, f.eks fra en ned til en opp kvark som omtalt over. Når tilstrekkelig energi er tilgjengelig kan transisjonene gå motsatt vei (Dette skjer f.eks ved p-p eller CNO kjernefysisk fusjon i stjerner).
• Leptoner og kvarker kan absorbere eller avgi et Z-boson

Vekselvirkning med Z-bosonet er svært flyktig og ble ikke observert før elektrosvak teori forutsa deres eksistens på tidlig 1970-tall, og de ble observert ved CERN i 1983.

De grunnleggende naturlovene ble lenge antatt å være like i speilsymmetri, dvs. når alle koordinater skifter fortegn. Videre ble det antatt at resultatet av et eksperiment sett via et speil ville være likt det som ble produsert av en speilet kopi av eksperiementoppsettet. I en enkel analogi vil en bil som blinker til venstre observeres i et speil å blinke mot høyre. Slik vil også en speilet bil observeres. Dette kalles p-symmetri for bevaring av paritet og er tilfelle f.eks for klassisk gravitasjon og elektromagnetisme. På 1950 talled ble det imidlertid oppdaget at svak vekselvirkning har p-symmetribrudd fordi den bare virker på venstre asymmetriske partikler (og høyre asymmetriske antipartikler). Fordi speilsymmetri for en venstre asymmetrisk partikkel er en høyre asymmetrisk partikkel gir dette maksimalt symmetribrudd.

Disse teoriene tillot imidlertid CP-symmetri (Ladning-paritet symmetri) ettersom en venstre asymmetrisk partikkel gir en høyre asymmetrisk antipartikkel. Men i 1964 ble det oppdaget at det også opptrer små CP symmetribrudd.

Standardmodellen beskriver elektromagnetisk kraft og svak vekselvirkning som to forskjellige aspekter av en felles elektrosvak vekselvirkning. Etter denne teorien vil det ved meget høye energinivåer opptre fire masseløse vekselvirkningsvanter (engelsk: «gauge bosons») lignende fotonet og et skalart Higgs-felt. Et skalart Higgs-felt antas å formidles av Higgs-bosonet, ha samme konstante verdi i hele universet, og gi opphav til masse når det vekselvirker med visse partikler.

Men når energinivået faller opptrer spontane symmetribrudd i Higgs-feltet og tre av de masseløse vekselvirkningsvantene gir opphav til tre masseløse Goldstone bosoner som «fortæres» av tre fotonlignende felter og får derved masse. Disse tre feltene gir opphav til W⁺, W^- og Z⁰ bosonene, mens den fjerde vekselvirkningsvanten forblir masseløs og er elektromagnetismens foton.

Denne teorien har forutsagt flere viktige fakta, som Z-bosonets masse, før disse ble funnet eksperimentelt. Det viser seg nå at Higgs-bosonet er observert ved CERN. Det å observere Higgs-bosonet var et av hovedformålene med Large Hadron Collider (LHC) som er bygget ved CERN.^[2]

• Griffiths, David J. (1987). Introduction to Elementary Particles. Wiley, John & Sons Inc. ISBN 0-471-60386-4. 
• D.A. Bromley (2000). Gauge Theory of Weak Interactions. Springer. ISBN 3-540-67672-4. 
• Gordon L. Kane (1987). Modern Elementary Particle Physics. Perseus Books. ISBN 0-201-11749-5. 

• Standardmodellen
• Kvantemekanikk

• Omtale for Nobelprisen i fysikk 1957 (P symmetri/brudd)
• Omtale for Nobelprisen i fysikk 1979 (Elektrosvak teori og Nøytral strøm)
• Omtale for Nobelprisen ifysikk 1980 (CP symmetribrudd)
• Omtale for Nobelprisen i fysikk 1984 (W og Z bosoner)
• Svak Vekselvirkning ved Stanford Linear Accelerator Center virtial visitor center Arkivert 23. november 2011 hos Wayback Machine.