Svak kjernekraft

Fra Wikipedia, den frie encyklopedi
Gå til: navigasjon, søk
Partikkelfysikk
Teorier
Standardmodellen
Kvantemekanikk
Kvantefeltteori (QFT)
Kvanteelektrodynamikk (QED)
Kvantekromodynamikk (QCD)
Den spesielle relativitetsteorien
Vekselvirkning
Sterk kjernekraft
Elektromagnetisme
Svak kjernekraft
Gravitasjon
Fargekraft
Elementærpartikler
Fermioner
Kvarker
Oppkvark
Nedkvark
Særkvark
Sjarmkvark
Bunnkvark
Toppkvark
Leptoner
Elektron
Positron
Nøytrino
Myon
Tau
Bosoner
Gauge-bosoner
Foton
W- og Z-bosoner
Gluon
Graviton
Higgs-boson
Sammensatte partikler
Hadroner
Mesoner
Pion
Baryoner
Proton
Nøytron
Atomkjerner
Atomer
Molekyler
Egenskaper
Energi
Bevegelsesmengde
Elektrisk ladning
Spinn
Paritet
Isospinn
Svakt isospinn
Fargeladning
Kjernefysikk
Atom

Svak kjernekraft som også betegnes Svak vekselvirkning er en av fire grunnleggende krefter i naturen. De tre andre er fargekraft, elektromagnetisme og tyngdekraft. 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.

Egenskaper[rediger | rediger kilde]

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» (en: 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 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 (en: 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.

Tunge vekselvirkningskvanter er følgende partikler:

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  \Delta E \Delta t \ge \frac{h}{4\pi}
Rekkevidde R = \Delta tc gir
 R \le \frac{hc}{E 4\pi} som gir rekkevidden 1,0-1,2•10−18m
Og levetiden \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 (en: 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)

Nøytron nedbrytning (Feynman diagram)

Typer av vekselvirkning[rediger | rediger kilde]

Svak vekselvirkning har tre grunnleggende interaksjoner. To foregår ved ladede bosoner (W+ og W-) og kalles ladet strøm (en: charged current) vekselvirkning, mens den tredje typen kalles nøytral strøm (en: neutral current) vekselvirkning 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 (en:flavor) 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.

Svak nedbrytning av kvarker[1]

Symmetribrudd[rediger | rediger kilde]

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.

Elektrosvak teori[rediger | rediger kilde]

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 (en: 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]

Referanser[rediger | rediger kilde]

  1. ^ Svak vekselvirkning ved Stanford Linear Accelerator Center virtual visitor center
  2. ^ LHC ved CERN
  • 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. 

Se også[rediger | rediger kilde]

Eksterne lenker[rediger | rediger kilde]