Ασθενής αλληλεπίδραση

Η ασθενής αλληλεπίδραση (συχνά αναφέρεται και ως ασθενής δύναμη ή ασθενής πυρηνική δύναμη) είναι μία από τις τέσσερις θεμελιώδεις αλληλεπιδράσεις της φύσης. Στο καθιερωμένο μοντέλο της σωματιδιακής φυσικής, γίνεται μέσω της ανταλλαγής των W και Z μποζονίων. Το πιο οικείο αποτέλεσμα της ασθενούς αλληλεπίδρασης είναι η διάσπαση βήτα (των νετρονίων στον ατομικό πυρήνα) και η σχετιζόμενη με αυτήν ραδιενέργεια. Η λέξη ασθενής προέρχεται από το γεγονός ότι η έντασή της είναι περίπου ~106 φορές μικρότερη από την αντίστοιχη της ισχυρής αλληλεπίδρασης.

 Στην ασθενή αλληλεπίδραση συμμετέχουν όλα τα αριστερόστροφα λεπτόνια και κουάρκ. Είναι η μόνη δύναμη που επηρεάζει τα νετρίνα (εκτός της βαρύτητας, η οποία είναι αμελητέα σε κλίμακες εργαστηρίου). Η ασθενής αλληλεπίδραση έχει τις εξής ιδιαιτερότητες: Είναι η μόνη αλληλεπίδραση ικανή να αλλάξει τους διάφορους κβαντικούς αριθμούς (flavour). Είναι η μόνη αλληλεπίδραση η οποία παραβιάζει την συμμετρία αρτιότητας P (επειδή δρα μόνο σε αριστερόστροφα σωματίδια). Είναι επίσης η μοναδική η οποία παραβιάζει τη συμμετρία CP. Μεταδίδεται με πολύ βαριά μποζόνια βαθμίδας. Αυτή η ασυνήθιστη ιδιότητα εξηγείται στο καθιερωμένο μοντέλο μέσω του μηχανισμού Χιγκς.Εξαιτίας της μεγάλης μάζας των σωματίδιων-φορέων της ασθενούς αλληλεπίδρασης (περίπου 90 GeV/c2), ο μέσος χρόνος ζωής τους περιορίζεται περίπου στα 3×10−25 δευτερόλεπτα από την αρχή της αβεβαιότητας. Ακόμα και σε ταχύτητες κοντά στην ταχύτητα του φωτός, το γεγονός αυτό περιορίζει την εμβέλεια της ασθενούς αλληλεπίδρασης στα 10−18 μέτρα, περίπου 1000 φορές μικρότερη από τη διάμετρο ενός ατομικού πυρήνα. Από τη στιγμή που η ασθενής αλληλεπίδραση είναι πολύ ασθενής και πολύ μικρής εμβέλειας, η πιο αξιοσημείωτη δράση της οφείλεται στην άλλη μοναδική της ιδιότητα, την αλλαγή των κβαντικών αριθμών. Θεωρούμε ένα νετρόνιο (αποτελούμενο από udd κουάρκς). Αν και το νετρόνιο είναι βαρύτερο από το άλλο νουκλεόνιο, το πρωτόνιο (αποτελούμενο από uud κουάρκς), δε μπορεί να διασπαστεί σε ένα πρωτόνιο χωρίς να αλλάξει τη γεύση ενός εκ των down κουάρκς του. Ούτε η ισχυρή αλληλεπίδραση ούτε η ηλεκτρομαγνητική επιτρέπουν αλλαγή γεύσης, οπότε η διαδικασία πρέπει να γίνεται μέσω της ασθενούς αλληλεπίδρασης. Σε αυτή τη διαδικασία, ένα down κουάρκ του νετρονίου μετατρέπεται σε ένα up κουάρκ παράγοντας ένα W μποζόνιο, το οποίο διασπάται σε ένα υψηλής ενέργειας ηλεκτρόνιο κι ένα αντινετρίνο. Από τη στιγμή που τα υψηλής ενέργειας ηλεκτρόνια είναι ακτινοβολία βήτα, η διαδικασία αυτή ονομάζεται διάσπαση βήτα. Εξαιτίας της μικρής ισχύος της αλληλεπίδρασης, οι ασθενείς διασπάσεις είναι πολύ πιο αργές από τις αντίστοιχες ισχυρές ή ηλεκτρομαγνητικές. Για παράδειγμα, ένα ηλεκτρομαγνητικά διασπώμενο ουδέτερο πιόνιο έχει χρόνο ζωής περίπου 10−16 δευτερόλεπτα, ενώ ένα ασθενώς διασπώμενο φορτισμένο πιόνιο ζει περίπου 10−8 δευτερόλεπτα, δηλαδή εκατό εκατομμύρια φορές περισσότερο. Ένα ελεύθερο νετρόνιο ζει περίπου 15 λεπτά, κάτι που σημαίνει ότι είναι το ασταθές υποατομικό σωματίδιο με τον μεγαλύτερο γνωστό χρόνο ζωής. Υπάρχουν τρεις βασικές μορφές της ασθενούς αλληλεπίδρασης. Δύο από αυτές περιλαμβάνουν φορτισμένα μποζόνια ενώ η τρίτη ένα μόνο ουδέτερο. Ένα φορτισμένο λεπτόνιο (όπως ένα ηλεκτρόνιο ή ένα μιόνιο) εκπέμπει ή απορροφά ένα W μποζόνιο και μετατρέπεται στο αντίστοιχο νετρίνο. Ένα down κουάρκ (με φορτίο -1/3) εκπέμπει ή απορροφά ένα W μποζόνιο και μετατρέπεται σε μια υπέρθεση up κουάρκς. Το ίδιο μπορεί να συμβεί και αντίστροφα (ένα up κουάρκ να μετατραπεί σε υπέρθεση down κουάρκς). Είτε ένα λεπτόνιο είτε ένα κουάρκ εκπέμπουν ή απορροφούν ένα Z μποζόνιο.Οι δύο πρώτες μορφές είναι υπεύθυνες για το φαινόμενο της βήτα διάσπασης. Η τελευταία παρατηρήθηκε για πρώτη φορά σε πειράματα σκέδασης νετρίνων το 1974 και αργότερα σε πειράματα επιταχυντών το 1983. Οι νόμοι της φύσης θεωρούνταν για πολύ καιρό ότι παραμένουν αναλλοίωτοι κάτω από κατοπτρική ανάκλαση, την αντιστροφή δηλαδή όλων των αξόνων αναφοράς. Τα αποτελέσματα ενός πειράματος ειδωμένα μέσω ενός καθρέφτη, αναμένονταν να είναι ταυτόσημα με τα αποτελέσματα μιας κατοπτρικά αντίθετης πειραματικής συσκευής. Ήταν γνωστό πως αυτός ο νόμος διατήρησης της αρτιότητας ίσχυε στην κλασική βαρύτητα και στον ηλεκτρομαγνητισμό, ώστε οι επιστήμονες υπέθεσαν πως επρόκειτο για παγκόσμιο νόμο. Παρ' όλα αυτά, στα μέσα της δεκαετίας του 1950, οι Τσεν Νινγκ Γιανγκ και Τσουνγκ Ντάο Λι πρότειναν πως η ασθενής αλληλεπίδραση μπορεί να παραβιάζει αυτόν τον νόμο. Η Τ.Σ. Γου και οι συνεργάτες της ανακάλυψαν το 1957 πως η ασθενής αλληλεπίδραση πράγματι παραβιάζει την αρτιότητα, κάτι που έδωσε στους Γιανγκ και Λι το βραβείο Νόμπελ Φυσικής. Αν και συνηθιζόταν η ασθενής αλληλεπίδραση να περιγράφεται από τη θεωρία του Φερμί ως η αλληλεπίδραση τεσσάρων φερμιονίων, η ανακάλυψη της παραβίασης της αρτιότητας σήμαινε πως χρειαζόταν μια νέα προσέγγιση. το 1957, οι Robert Marshak και George Sudarshan και λίγο αργότερα οι Ρίτσαρντ Φάινμαν και Μάρεϊ Γκελ-Μαν, πρότειναν μια V−A Λαγκρανζιανή για τις ασθενείς αλληλεπιδράσεις. Σε αυτή τη θεωρία, η ασθενής αλληλεπίδραση δρα μόνο σε αριστερόστροφα σωματίδια (και δεξιόστροφα αντισωματίδια). Από τη στιγμή που η κατοπτρική εικόνα ενός αριστερόστροφου σωματιδίου είναι ένα δεξιόστροφο, εξηγείται και η παραβίαση της αρτιότητας. Όμως, η θεωρία αυτή επέτρεπε τη διατήρηση μιας άλλης συμμετρίας (της CP). Η συμμετρία CP συνδυάζει την αρτιότητα P (αλλάζοντας τα αριστερά σε δεξιά) και του υπερφορτίου C (αλλάζοντας τα σωματίδια σε αντισωματίδια). Οι φυσικοί ξαφνιάστηκαν πάλι όμως όταν το 1964, οι Τζέημς Κρόνιν και Βαλ Φιτς απέδειξαν ότι σε διασπάσεις καονίων η συμμετρία CP παραβιάζεται κι αυτή, κάτι που τους έδωσε το βραβείο Νόμπελ Φυσικής το 1980. Το καθιερωμένο μοντέλο της σωματιδιακής φυσικής περιγράφει την ηλεκτρομαγνητική και την ασθενή αλληλεπίδραση ως δύο διαφορετικές εκφάνσεις μίας και μοναδικής ηλεκτρασθενούς αλληλεπίδρασης, η θεωρία της οποίας αναπτύχθηκε το 1968 από τους Σέλντον Γλάσοου , Άμπντους Σαλάμ και Στίβεν Γουάινμπεργκ. Για την εργασία τους αυτή, οι τρεις φυσικοί πήραν το βραβείο Νόμπελ Φυσικής το 1970. Σύμφωνα με την ηλεκτρασθενή θεωρία, σε πολύ υψηλές ενέργειες, το σύμπαν έχει τέσσερα ταυτόσημα άμαζα μποζόνια βαθμίδας παρόμοια με το φωτόνιο, καθώς και ένα βαθμωτό πεδίο Χιγκς. Βέβαια, σε χαμηλές ενέργειες η συμμετρία του πεδίου Χιγκς σπάει αυθόρμητα από τον μηχανισμό Χιγκς. Αυτό το σπάσιμο της συμμετρίας παράγει τρία άμαζα μποζόνια τα οποία καταναλώνονται από τρία πεδία, δίνοντάς τους μάζα. Αυτά τα τρία πεδία μετατρέπονται στα W και Ζ μποζόνια της ασθενούς αλληλεπίδρασης, ενώ το τέταρτο πεδίο παραμένει άμαζο και είναι το γνωστό φωτόνιο του ηλεκτρομαγνητισμού. Αν και αυτή η θεωρία πέτυχε μια σειρά από εντυπωσιακές προβλέψεις, συμπεριλαμβανομένης και της πρόβλεψης της μάζας του Ζ μποζονίου, το μποζόνιο Χιγκς δεν είχε παρατηρηθεί ποτέ. Η παραγωγή μποζονίων Χιγκς ήταν ένας σημαντικός στόχος του Μεγάλου Επιταχυντή Αδρονίων (LHC) που λειτουργεί στο CERN. Στις 4 Ιουλίου του 2012 ανακοινώθηκε από τους επιστήμονες του CERN η ανακάλυψη ενός νέου σωματιδίου, που πιθανότατα είναι το μποζόνιο Χιγκς. Στις 14 Μαρτίου 2013 επιβεβαιώθηκε ότι το νέο σωματίδιο είναι το μποζόνιο Χιγκς. Μένει να φανεί αν θα επαληθεύει το καθιερωμένο μοντέλο ή αν θα το ανατρέψει ως ένα βαθμό. David J. Griffiths (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. Ισχυρή αλληλεπίδραση, ηλεκτρομαγνητική αλληλεπίδραση και βαρύτητα. Θεμελιώδης αλληλεπίδραση Σωματιδιακή φυσική Καθιερωμένο μοντέλο