הכוח החלש

הכוח החלש או האינטראקציה החלשה (weak interaction, בעברית: ההידוד החלש) הוא אחד מכוחות היסוד של הטבע. המונח "חלש" נובע מן העובדה שעוצמת השדה חלשה פי כ- מזו של הכוח החזק. עקב העובדה שהחלקיקים הנושאים את הכוח החלש הם בעלי מסה, הוא פועל על פני מרחקים קצרים מאוד, הקטנים מגודל גרעין האטום. בין היתר, הכוח החלש גורם לקרינת בטא, שהיא סוג של רדיואקטיביות.

לעיתים, הכוח החלש מכונה "הכוח הגרעיני החלש", אך למעשה, הוא אינו מאפיין רק תהליכים המתרחשים בגרעיני אטומים, אלא מגוון רחב של תהליכים פיזיקליים. כך, לדוגמה, גם התנגשות בין שני חלקיקים במאיץ חלקיקים, תהליך שאין לו בהכרח קשר לפיזיקה גרעינית, מביאה פעמים רבות לקיומה של אינטראקציה חלשה.

הכוח החלש ייחודי לעומת שלושת הכוחות האחרים, מכיוון שאינו כוח "מושך", כלומר, אינו יוצר מערכות קשורות (bound states), כפי שעושים האחרים (הכוח החזק יוצר האדרונים, שהם מערכות קשורות של קווארקים; אלקטרומגנטיות יוצרת, בין היתר, אטומים, מולקולות ומגנטים; כבידה יוצרת מערכות קשורות בקנה מידה אסטרונומי). לעומת זאת, הכוח החלש מתבטא ביכולתו לגרום לחלקיק לשנות את הטעם שלו ולהפוך לחלקיק אחר. כל תהליך של שינוי טעם מערב תמיד את הכוח החלש.

תכונות
הכוח החלש משפיע על כל הלפטונים והקווארקים. זהו הכוח היחיד שיכול להשפיע על חלקיקי ניוטרינו (מלבד הכבידה, שעוצמתה זניחה בקני מידה תת-אטומיים). האינטראקציה החלשה מאפשרת לכל חלקיקי ואנטי-חלקיקי הלפטונים והקווארקים להחליף ביניהם אנרגיה, מסה, מטען חשמלי וטעם, תוך הפיכה מחלקיק אחד לאחר.

לאור הקשר בין הכוח החלש לבין שינוי טעם של חלקיקים, התחום המדעי המתאר את הכוח החלש מכונה גם דינמיקת טעם קואנטית (quantum flavordynamics), בדומה לאלקטרודינמיקה קואנטית המתארת את הכוח האלקטרומגנטי ולכרומודינמיקה קואנטית המתארת את הכוח החזק.

אף שהכוח החלש תואר בעבר בידי תאוריית פרמי של אינטראקציית ארבעה-פרמיונים, כיום ידוע שהבוזונים הנושאים את הכוח החלש הם בוזוני W ו-Z. בשל מסתם הגבוהה, אורך החיים שלהם מוגבל, לאור עקרון אי הוודאות , לכ- שניות. אפילו במהירות האור, אורך חיים זה מגביל את טווח ההשפעה של הכוח החלש לכ- מטרים, כלומר, מרחק קטן פי 1,000 לערך מקוטרו של גרעין האטום.

דעיכת בטא והכוח החלש
אחת התופעות החשובות ביותר, לה אחראי הכוח החלש, היא הדעיכה הרדיואקטיבית מסוג דעיכת בטא. בתהליך של דעיכת בטא, קוארק בתוך נוקליאון (פרוטון או נייטרון) הופך לקוארק בעל טעם אחר ומשנה עקב כך גם את סוג הנוקליאון (מפרוטון לנייטרון, או להפך) ואת סוג האטום, כאשר המספר האטומי קטן או גדל ביחידה אחת.

לדוגמה, דעיכת בטא פלוס, המכונה גם פליטת פוזיטרון (positron emission), מתרחשת כאשר קוארק למעלה בתוך פרוטון הופך לקוארק למטה. תהליך זה מביא להפיכת הפרוטון לנייטרון ולהפיכת היסוד של האטום ליסוד אחר, עם מספר אטומי קטן ביחידה אחת. כדי שחלקיק ישנה את הטעם שלו, נדרשת פעולה של הכוח החלש, המתווכת על ידי הבוזונים הנושאים כוח זה. אכן, בדעיכת בטא פלוס, הקוארק למעלה הופך תחילה לבוזון  ולקוארק למטה. לאחר מכן, הבוזון  הופך לפוזיטרון ולניוטרינו אלקטרוני.

ניתן לתאר תהליך זה בשלוש רמות שונות – רמת הקווארקים, רמת הנוקליאונים ורמת האטומים. התיאורים שקולים זה לזה ובכל אחד מהם ניתן להבחין בפליטתו של בוזון , הדועך לפוזיטרון ולניוטרינו:

uud → udd + W+ → udd + e+ + νe

p → n + W+ → n + e+ + νe

 →  + W+ →  + e+ + νe

חלק מהמספרים הקואנטיים, כגון המטען החשמלי והמספר הלפטוני, נשמרים (conserved) משני צדי התהליך. לעומת זאת, המספר הקואנטי איזוספין (I3) אינו נשמר. האיזוספין הוא מספר קואנטי של טעם (flavor quantum number), הקובע את סוג הקוארק – למעלה או למטה. האיזוספין של קוארק למעלה, כמו זה של הפרוטון, הוא , בעוד האיזוספין של קוארק למטה, כמו זה של הנייטרון, הוא מינוס . על כן, קיים הפרש של יחידת איזוספין אחת בין החלקיקים. האיזוספין של בוזון  עצמו הוא 0. לפיכך, האיזוספין פוחת ב-1 במהלך דעיכת בטא פלוס. יכולת זו, לגרום שבירת סימטריה בין החלקיק הנכנס לחלקיק היוצא (שינוי טעם של חלקיק הוא דוגמה לשבירת סימטריה), היא המאפיין הבולט ביותר של הכוח החלש.

היסטוריה
במשך זמן רב, היה נהוג לחשוב שחוקי הטבע נשארים זהים תחת השתקפות. תוצאות ניסוי שנעשה דרך מראה היו אמורות להיות זהות לתוצאות אותו ניסוי, אם נעשה שלא דרך מראה. זה הוא חוק שימור הזוגיות (parity conservation). באמצע שנות ה-50 של המאה ה-20, הציעו צ'ן-נינג יאנג וצונג-דאו לי שהכוח החלש עשוי להפר את שימור הזוגיות. צ'ין שיונג וו ועמיתיה הוכיחו ניסויית תחזית זו ב-1957. על כך קיבלו יאנג ולי את פרס נובל לפיזיקה ל-1957.

המודל הסטנדרטי של פיזיקת החלקיקים מתאר את הכוח האלקטרומגנטי ואת הכוח החלש כשני ביטויים שונים של כוח אלקטרו-חלש אחד, תאוריה שפותחה על ידי שלדון גלשאו, עבדוס סלאם וסטיבן ויינברג. עבודתם זיכתה אותם בפרס נובל לפיזיקה ל-1979.

בוזוני W ו-Z התגלו ב-1983, במאיץ החלקיקים SPS ב-CERN. על תגלית זו, קיבלו קרלו רוביה וסימון ואן דר מיר את פרס נובל לפיזיקה ל-1984.

קישורים חיצוניים

 

כוחות היסוד
פיזיקת חלקיקים
פיזיקה גרעינית