กองกำลังพื้นฐาน: แรงนิวเคลียร์ที่อ่อนแอ

La แรงนิวเคลียร์ที่อ่อนแอ มันเป็นหนึ่งในสี่กองกำลังพื้นฐานของฟิสิกส์ที่อนุภาคมีปฏิสัมพันธ์ซึ่งกันและกัน พร้อมกับแรงที่แข็งแกร่ง แรงโน้มถ่วงและแม่เหล็กไฟฟ้า แรงนิวเคลียร์ที่อ่อนแอนี้มีความเข้มที่อ่อนแอกว่ามาก เรียนรู้เพิ่มเติมเกี่ยวกับหัวข้อที่น่าสนใจนี้ที่นี่!

แรงนิวเคลียร์ที่อ่อนแอ

พลังที่อ่อนแอเป็นหนึ่งในสี่ พลังพื้นฐานของธรรมชาติ ที่ควบคุมสสารทั้งหมดในจักรวาล อีกสามอย่างคือ แรงโน้มถ่วง แม่เหล็กไฟฟ้า และแรงแรง ในขณะที่แรงอื่นๆ ยึดสิ่งของไว้ด้วยกัน แรงอ่อนจะมีบทบาทมากขึ้นในการแตกสลายหรือแตกออกจากกัน

แรงอ่อนหรือปฏิกิริยาที่อ่อนแรงนั้นแข็งแกร่งกว่าแรงโน้มถ่วงมาก แต่จะปลอดภัยสำหรับระยะทางที่สั้นมากเท่านั้น กระทำที่ระดับต่ำกว่าอะตอม และมีบทบาทสำคัญในการหล่อเลี้ยงดวงดาวและการสร้างองค์ประกอบ ตลอดจนรับผิดชอบส่วนใหญ่ของ รังสีธรรมชาติที่มีอยู่ในจักรวาล

นักฟิสิกส์ชาวอิตาลี เอนริโก แฟร์มี นึกถึงสมมติฐานในปี 1933 ที่จะแสดงให้เห็นการสลายตัวของบีตา ซึ่งเป็นกระบวนการที่นิวตรอนในนิวเคลียสกลายเป็นโปรตอนและปล่อยอิเล็กตรอน ซึ่งมักเรียกว่าอนุภาคบีตาในบริบทนี้

เขากำหนดแรงรูปแบบใหม่ ซึ่งเรียกว่าปฏิสัมพันธ์ที่อ่อนแอ ซึ่งมีหน้าที่ในการสลายตัวและมีกระบวนการพื้นฐานในการเปลี่ยนนิวตรอนให้เป็นโปรตอน อิเล็กตรอน และนิวตริโน ซึ่งต่อมาถูกกำหนดให้เป็นสารต้านนิวตริโน Giulio Maltese เขียน นักประวัติศาสตร์ฟิสิกส์ชาวอิตาลีในอนุภาคของมนุษย์

ตามคำกล่าวของมอลตา Fermi กล่าวในขั้นต้นว่าสิ่งนี้บอกเป็นนัยถึงสิ่งที่คล้ายกับระยะทางศูนย์หรือแรงที่อนุภาคทั้งสองจะต้องสัมผัสกันเพื่อให้แรงดำเนินต่อไป นับตั้งแต่นั้นมาก็ได้รับการยืนยันแล้วว่าแรงอ่อนเป็นแรงดึงดูดที่ทำงาน ในช่วงค่อนข้างสั้นอย่างน้อย 0.1 เปอร์เซ็นต์ของเส้นผ่านศูนย์กลางของโปรตอน

สรรพคุณ

La แรงนิวเคลียร์ที่อ่อนแอ มีชุดของคุณสมบัติที่เรากล่าวถึงด้านล่าง แรงอ่อนแตกต่างจากแรงอื่น ๆ:

ประเภทของปฏิสัมพันธ์

มีปฏิสัมพันธ์ที่อ่อนแอสองประเภทที่เรียกว่าจุดยอดประเภทแรกเรียกว่า "ปฏิสัมพันธ์ของกระแสประจุ" เนื่องจากเป็นสื่อกลางโดยอนุภาคที่มีประจุไฟฟ้าทำให้เกิดปรากฏการณ์การสลายตัวของเบต้า

ประเภทที่สองเรียกว่า "ปฏิกิริยากระแสเป็นกลาง" เนื่องจากเป็นสื่อกลางโดยอนุภาคเป็นกลาง มันมีหน้าที่ในการโก่งตัวของนิวตริโน การโต้ตอบทั้งสองประเภทเป็นไปตามกฎการเลือกที่แตกต่างกัน

การโต้ตอบปัจจุบันที่เรียกเก็บ

ในการโต้ตอบแบบกระแสที่มีประจุ เลปตอนที่มีประจุ (เช่น อิเล็กตรอนหรือมิวออนซึ่งมีประจุ -1) สามารถดูดซับ W+ โบซอนได้ ซึ่งหมายถึงอนุภาคที่มีประจุ +1 และจากโหมดนั้นจะกลายเป็นที่สอดคล้องกัน นิวตริโนที่มีประจุเป็น 0 โดยที่ชนิดของนิวตริโน ได้แก่ อิเล็คตรอน มิวออน หรือเอกภาพ เหมือนกับชนิดของเลปตอนในการโต้ตอบ

ในทำนองเดียวกัน ประเภทของดาวน์ควาร์กที่มีประจุของ – ¹ / ₃  สามารถแปลงเป็นควาร์กอัพได้โดยมีประจุ + ² / ₃ ) โดยการออก W^-  โบซอนหรือดูดซับ W⁺   แม่นยำกว่านั้น ควาร์กดาวน์ไทป์จะกลายเป็นควอนตัมทับซ้อนของควาร์กอัพประเภท นั่นคือ มันมีโอกาสที่จะกลายเป็นหนึ่งในสามควาร์กอัพประเภท ด้วยความน่าจะเป็นที่ระบุในตารางเมทริกซ์

ในทางตรงกันข้าม อัพสตรีมควาร์กสามารถปล่อย W⁺
โบซอนหรือดูดซับ W^- โบซอนและกลายเป็นควาร์กประเภทดาวน์

W โบซอนไม่เสถียร ดังนั้นมันจะสลายตัวอย่างรวดเร็ว ด้วยอายุการใช้งานที่สั้นมาก การผุของ W โบซอนกับผลิตภัณฑ์อื่นสามารถเกิดขึ้นได้ โดยมีความน่าจะเป็นต่างกัน

ในการสลายตัวของนิวตรอนที่เรียกว่าเบตา ดาวน์ควาร์กภายในนิวตรอนจะแสดงค่า W โดยปริยาย^- โบซอนจึงกลายเป็นอัพควาร์ก เปลี่ยนนิวตรอนให้เป็นโปรตอน

เนื่องจากพลังงานที่เกี่ยวข้องในกระบวนการ กล่าวคือ ความแตกต่างของมวลระหว่างดาวน์ควาร์กและอัพควาร์ก มวล W^- โบซอนสามารถกลายเป็นอิเล็กตรอนและแอนตินิวตริโนอิเล็กตรอนได้เท่านั้น

ปฏิสัมพันธ์ปัจจุบันเป็นกลาง

ในการโต้ตอบกับกระแสไฟที่เป็นกลาง ควาร์กหรือเลปตัน (เช่น อิเล็กตรอนหรือมิวออน) จะปล่อยหรือดูดซับ Z boson ที่เป็นกลาง เช่น W^± โบซอนก็สลายตัวอย่างรวดเร็วเช่นกัน

ซึ่งแตกต่างจากปฏิสัมพันธ์ปัจจุบันที่มีประจุซึ่งกฎการเลือกถูก จำกัด อย่างเคร่งครัดโดย chirality ประจุไฟฟ้าหรือ isospin ที่อ่อนแอ Z ที่เป็นกลาง⁰ อันตรกิริยาอาจทำให้เฟอร์มิออนสองตัวในแบบจำลองมาตรฐานเบี่ยงเบน: อนุภาคและปฏิปักษ์ของประจุไฟฟ้าใดๆ และ chirality ด้านซ้ายและขวา แม้ว่าความแรงของปฏิกิริยาจะแตกต่างกัน

การละเมิดสมมาตร

การทำลายสมมาตรเป็นปรากฏการณ์ที่ความโกลาหลเล็กๆ ที่เกิดขึ้นในระบบที่ผ่านจุดวิกฤต สรุปชะตากรรมของระบบโดยกำหนดสาขาที่จะนำไปใช้ สำหรับผู้ช่วยภายนอกที่ไม่ทราบถึงความโกลาหล ทางเลือกจะเกิดขึ้นอย่างไม่เป็นธรรม

กระบวนการนี้เรียกว่าการละเมิดความสมมาตร เนื่องจากการเปลี่ยนแปลงดังกล่าวโดยทั่วไปแล้วจะย้ายระบบจากสภาวะที่สมมาตรแต่ไม่เป็นระเบียบภายใต้เงื่อนไขที่เฉพาะเจาะจงอย่างน้อยหนึ่งอย่าง การรบกวนในสมมาตรถือว่ามีบทบาทสำคัญในรูปแบบ

ด้วยการทำลายสมมาตรโดยตรง สมการปัจจุบันของระบบจะไม่คงที่ แต่ระบบไม่ได้เกิดจากพื้นฐานของระบบที่ไม่คงที่ การแยกส่วนสมมาตรนั้นถูกกำหนดพารามิเตอร์โดยใช้พารามิเตอร์ลำดับ กรณีพิเศษของการละลายแบบสมมาตรนี้คือ การทำลายสมมาตรแบบไดนามิก

ความล้มเหลวของสมมาตรสามารถครอบคลุมสถานการณ์ต่อไปนี้:

• การละเมิดสมมาตรที่แน่นอนซึ่งอยู่ภายใต้กฎของฟิสิกส์โดยการสร้างแบบสุ่มของโครงสร้างบางอย่าง
• สถานการณ์ทางฟิสิกส์ที่สถานะพลังงานต่ำสุดมีความสมมาตรน้อยกว่าตัวระบบเอง
• สถานการณ์ที่สถานะจริงของระบบไม่ได้สะท้อนถึงความสมมาตรพื้นฐานของไดนามิก เนื่องจากสถานะที่สมมาตรอย่างชัดเจนนั้นไม่เสถียรและเกิดเสถียรภาพได้เนื่องจากความไม่สมดุลในท้องถิ่น
• สถานการณ์ที่สมการของทฤษฎีสามารถมีความสมมาตรบางอย่างได้ แต่คำตอบของสมการนั้นไม่มี เพราะสมมาตรนั้น "ซ่อนอยู่"

กรณีแรกๆ ของความสมมาตรหักที่กล่าวถึงในเอกสารทางกายภาพเกี่ยวกับรูปร่างที่เกิดจากตัวหมุนที่สม่ำเสมอของของไหลที่ไม่สามารถบีบอัดได้ในสภาวะสมดุลแรงโน้มถ่วงและอุทกสถิต

ทั้งจาโคบีและลิอูวิลล์เห็นพ้องต้องกันในปี พ.ศ. 1834 ว่าทรงรีสามแกนเป็นวิธีแก้ปัญหาสมดุลสำหรับปัญหานี้ เมื่อพลังงานจลน์เทียบกับพลังงานโน้มถ่วงของวัตถุที่หมุนอยู่มีค่าเกินค่าวิกฤตที่แน่นอน

ความสมมาตรตามแนวแกนที่แสดงโดยทรงกลมแตกที่จุดกิ่งนี้ ยิ่งกว่านั้น เหนือจุดกิ่งนี้และสำหรับโมเมนตัมเชิงมุมคงที่ สารละลายที่ลดพลังงานจลน์ให้เหลือน้อยที่สุดคือทรงรีจาโคบีที่ไม่สมมาตรตามแนวแกนแทนที่จะเป็นทรงกลมของแมคลอริน

ตัวอย่างเช่น นิวเคลียสของอะตอมประกอบด้วยโปรตอนและนิวตรอน และเราทราบด้วยว่าอนุภาคย่อยของอะตอมทั้งหมดไม่ใช่วัตถุที่ไม่เปลี่ยนรูป แต่สามารถจัดการเพื่อเปลี่ยนรูปซึ่งกันและกันได้ โดยพื้นฐานแล้วเป็นผลมาจากปฏิกิริยานิวเคลียร์ที่อ่อนแอ

ตัวอย่างเช่น นิวตรอนซึ่งมีประจุไฟฟ้าเป็นศูนย์ สามารถสลายตัวเป็นโปรตอนและอิเล็กตรอนที่มีประจุเท่ากันและตรงข้าม บวกกับอนุภาคใหม่ของประจุเป็นศูนย์ แอนตินิวตริโน และในทำนองเดียวกัน แอนตินิวตรอนสามารถสลายตัวเป็นแอนติโปรตอน โพซิตรอน และนิวตริโน

ทฤษฎีหรือแบบจำลองไฟฟ้า

แรงอ่อนจะกระทำในระยะทางที่เล็กกว่านิวเคลียสของอะตอมเท่านั้น ในขณะที่แรงแม่เหล็กไฟฟ้าสามารถขยายออกไปในระยะทางไกลๆ ได้ดังที่เห็นในแสง ดาว ที่ไปถึงดาราจักรทั้งหมด จางหายไปด้วยกำลังสองของระยะทางเท่านั้น

นอกจากนี้ การเปรียบเทียบความแรงของปฏิสัมพันธ์พื้นฐานระหว่างโปรตอนสองตัว เช่น พบว่าแรงอ่อนนั้นอ่อนกว่าแรงแม่เหล็กไฟฟ้าประมาณ 10 ล้านเท่า แต่การค้นพบที่สำคัญอย่างหนึ่งของศตวรรษที่ XNUMX ก็คือแรงทั้งสองนี้คือ แง่มุมต่าง ๆ ของแรงรั่วไฟฟ้าพื้นฐานเดียวที่มากกว่า

ทฤษฎีอิเล็กโตรวีกเกิดขึ้นจากความพยายามที่จะสร้างทฤษฎีเกจที่สม่ำเสมอในตัวเองของแรงอ่อน ในการเปรียบเทียบกับควอนตัมอิเล็กโทรไดนามิก ซึ่งเป็นทฤษฎีสมัยใหม่ที่ประสบความสำเร็จของแรงแม่เหล็กไฟฟ้าที่พัฒนาขึ้นในช่วงทศวรรษที่ 1940

มีข้อกำหนดพื้นฐานสองประการสำหรับทฤษฎีเกจของแรงอ่อน ประการแรก จะต้องแสดงความสมมาตรทางคณิตศาสตร์ที่อยู่เบื้องล่าง เรียกว่าค่าคงที่ของเกจ เพื่อให้ผลของแรงเท่ากันที่จุดต่างๆ ในอวกาศและเวลา สอง ทฤษฎีควรจะปรับค่าใหม่ได้ นั่นคือ ไม่ควรมีปริมาณอนันต์ที่ไม่ใช่ฟิสิกส์

ตัวอย่างประจำวันของการเปลี่ยนแปลงนิวเคลียร์

ตัวอย่างที่ชัดเจนที่สุดของแรงนิวเคลียร์ที่อ่อนแอคือการรวมตัวของโปรตอนซึ่งมีลักษณะน่ารังเกียจเนื่องจากมีประจุบวก ในระดับที่ใหญ่กว่า แรงนี้มีหน้าที่รับผิดชอบต่อพลังทำลายล้างมหาศาลของอาวุธนิวเคลียร์การปลดปล่อยพลังงานเมื่อถูกจุดชนวน . อาวุธนิวเคลียร์เกิดจากกองกำลังนิวเคลียร์ที่แข็งแกร่ง

สิ่งสำคัญคือต้องสังเกตว่าในลักษณะเดียวกับที่ใช้ในพืชพลังงานนิวเคลียร์เพื่อสร้างความร้อน เพื่อสร้างพลังงาน เช่น ไฟฟ้า แรงนิวเคลียร์ที่อ่อนแอ มันสามารถแปลงนิวตรอนเป็นโปรตอนและโปรตอนเป็นนิวตรอน แรงเหล่านี้เกิดขึ้นจากการต้านทานหลายอย่าง เช่น การสลายกัมมันตภาพรังสี การเผาไหม้ของดวงอาทิตย์ การนัดหมายของเรดิโอคาร์บอน ฯลฯ

• ปฏิกิริยาฟิชชันในโรงไฟฟ้านิวเคลียร์ให้พลังงานเพียงพอแก่เมืองใหญ่
• ปฏิกิริยาฟิวชันในดวงอาทิตย์ทำให้โลกของเรามีพลังงานทั้งหมดที่จำเป็นสำหรับสิ่งมีชีวิตเพื่อความอยู่รอด
• ปฏิกิริยาฟิชชันที่หนีไม่พ้นทำให้เกิดพลังทำลายล้างของระเบิดนิวเคลียร์