Svak kjernekraft

Partikkelfysikk
Teoriar
Standardmodellen
Kvantemekanikk
Kvantefeltteori (QFT)
Kvanteelektrodynamikk (QED)
Kvantekromodynamikk (QCD)
Den spesielle relativitetsteorien
Vekselverknad
Sterk kjernekraft
Elektromagnetisme
Svak kjernekraft
Gravitasjon
Fargekraft
Eigenskapar
Energi
Rørslemengd
Elektrisk ladning
Spinn
Paritet
Isospinn
Svakt isospinn
Fargeladning

Svak kjernekraft som òg vert kalla svak vekselverknad er ei av dei fire grunnleggjande kreftene i naturen. Dei tre andre er fargekraft, elektromagnetisme og tyngdekraft. I standardmodellen opptrer han ved utveksling av tunge W- og Z-boson. Den mest kjende effekten er betadesintegrasjon der nøytron sender ut betastråling (eit elektron), og blir til eit proton. Dette er hovudårsaka til radioaktivitet i grunnstoffa. Nemninga «svak» kjem av at ho er omtrent 10¹³ gonger svakare enn den sterke kjernekrafta.

Eigenskapar

Svak vekselverknad påverkar alle venstrehende lepton og kvarkar. Dette er den einaste krafta som påverkar nøytrinoar (utanom gravitasjon som er utan tyding på subatomært nivå). Svak vekselverknad er unik på ei rekkje felt:

• Det er den einaste av dei fundamentale kreftene som kan endre «smak» (flavour) for lepton og kvarkar. Partikkelen blir endra til ein annan partikkel av same type, til dømes frå ned- til oppkvark eller myon til myon-nøytrino. Dette er årsaka til at vanleg stabil materie berre inneheld opp- og nedkvarkar og elektron.
• Det er den einaste krafta som bryt paritet (P-symmetri der $f(x,y,z)=f(-x,-y,-z)$ òg kalla speglingssymmetri) fordi han berre virkar på venstrehendte partiklar og høgrehendte antipartiklar (sjå helisitet). Det er òg den einaste krafta som bryt CP-symmetri (ladning og paritet).
• Han blir formidla av tunge vekselverknadskvantar (gauge-boson) som i standardmodellen forklarast av Higgs-mekanismen. Elektromagnetisme blir formidla av masselause foton, og sterk kjernekraft av gluon utan masse og pion med masse på ein tusendel av W- og Z-boson.

Tunge vekselverknadskvantar er følgjande partiklar:

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

Partiklane er kring 100 gonger tyngre enn proton og nøytron. Uskarpleiksrelasjonen gjev ei grense for kor langt disse partiklane kan nå før dei reabsorberast når de flyttar seg med lysfarten:

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

Rekkevidd $R=\Delta tc$ gjev

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

og levetida $\Delta t=R/c$ er berre omkring 3•10⁻²⁵s

Svak vekselverknad har derfor vesentleg kortare rekkevidd (1/1000) og styrke (1/10¹³) enn den sterke kjernekrafta. Den vesentlig observerbare effekten er smaksendring (flavour change) når ein kvark eller eit lepton endrar type. Eit nøytron består av tre kvarkar (opp-ned-ned) og sjølv om det har høgare energi enn eit proton (opp-opp-ned) kan det ikkje brytast ned utan smaksendring. Svak nedbryting endrar ein ned kvark til ein opp kvark. Dette skjer ved at gjev frå seg eit W^-boson som raskt vert nedbrote vidare til eit elektron og ein antinøytrino. Dette blir kalla betadesintegrasjon fordi elektron med høg energi er betastråling. W-boson har langt høgare energi (80,4 GeV) enn nukleona (ca 940 MeV for nøytronet), og òg dei resulterande partiklane (elektronet 510 keV og antinøytrinoet 2,2 eV pluss deira energinivå). Dette er mogleg fordi produktet av energi og tid er mindre enn den grensa som blir sett av uskarpleiksrelasjonen, og blir ofte skildra som vekselverknad ved virtuelle partiklar. Fordi svak vekselverknad er relativt svak, er svak desintegasjon mykje langsamare enn sterk eller elektromagnetisk desintegrasjon. Som døme vil eit elektromagnetisk nedbrote nøytralt pion ha ei levetid på omtrent 10⁻¹⁶ sekund medan eit svakt nedbrote ladd pion lever omtrent 10⁻⁸ s. Eit fritt nøytron har ei halveringstid på kring 15 minutt, og er den ustabile subatomære partikkelen med lengst levetid. (Som nukleon i ein atomkjerne kan nøytronet vere stabilt eller ha kortare levetid avhengig av kjernekonfigurasjonen, proton og elektron er stabile)

Nøytronnedbryting (Feynmandiagram)

Typar vekselverknad

Svak vekselverknad har tre grunnleggjande interaksjonar. To går føre seg ved ladde boson (W⁺ og W^-) og vert kalla ladd straum (en: charged current) vekselverknad, medan den tredje typen vert kalla nøytral straum (en: neutral current) vekselverknad ved Z⁰ bosonet:

• Eit ladd lepton kan absorbere eller gje av eit W-boson og endre type frå eit elektron, muon eller tau-leptonpartikkel eller antipartikkel til ein tilsvarande nøytrino (elektron, muon eller tau neutrino/antinøytrino).
• Ein kvark kan absorbere eller gje av eit W-boson og endre smak (flavor) til ein annan kvark med ulik ladning. Nedbryting går alltid frå ein massiv til ein lettare kvark, til dømes frå ein ned- til ein oppkvark som omtalt over. Når tilstrekkeleg energi er tilgjengeleg kan transisjonane gå motsett veg (Dette skjer til dømes ved p-p eller CNO kjernefysisk fusjon i stjerner).
• Lepton og kvarkar kan absorbere eller gje av eit Z-boson

Vekselverknad med Z-bosonet er særs flyktig og vart ikkje observert før elektrosvak teori føresåg eksistensen deira tidleg på 1970-talet, og dei vart observerte ved CERN i 1983.

Svak nedbryting av kvarkar

Symmetribrot

Dei grunnleggjande naturlovene vart lenge trudde å vere like i speglsymmetri, det vil seie når alle koordinatar skiftar forteikn. Vidare vart det trudd at resultatet av eit eksperiment sett via ein spegel ville vere likt det som vart produsert av ein spegla kopi av eksperiementoppsettet. I ein enkel analogi vil ein bil som blinkar til venstre observerast i ein spegel å blinke mot høgre. Slik vil òg ein spegla bil observerast. Dette blir kalla p-symmetri for bevaring av paritet og er tilfelle til dømes for klassisk gravitasjon og elektromagnetisme. På 1950-talet vart det likevel oppdaga at svak vekselverknad har p-symmetribrot fordi han berre virkar på venstre asymmetriske partiklar (og høgre asymmetriske antipartiklar). Fordi spegelsymmetri for ein venstre asymmetrisk partikkel er ein høgre asymmetrisk partikkel gjev dette maksimalt symmetribrot.

Desse teoriane tillét likevel CP-symmetri (Ladning-paritet-symmetri) sidan ein venstre asymmetrisk partikkel gjev ein høgre asymmetrisk antipartikkel. Men i 1964 vart det oppdaga at det òg opptrer små CP-symmetribrot.

Elektrosvak teori

Standardmodellen skildrar elektromagnetisk kraft og svak vekselverknad som to ulike aspekt av ein felles elektrosvak vekselverknad. Etter denne teorien vil det ved særs høye energnivå opptre fire masselause vekselverknadskvantar (gauge-boson) liknande fotonet og eit skalart Higgs-felt. Eit skalart Higgs-felt blir trudd å bli formidla av Higgs-bosonet, ha same konstante verdi i heile universet, og gje opphav til masse når det vekselverknad med visse partiklar.

Men når energinivået fell opptrer spontane symmetribrot i Higgs-feltet og tre av dei masselause vekselverknadskvantane gjev opphav til tre masselause Goldstone-boson som vert øydelagde av tre fotonliknande felt og får med det masse. Desse tre felta gjev opphav til W⁺, W^- og Z⁰ bosona, medan den fjerde vekselverknadskvanten blir verande masselaus og er fotonet i elektromagnetismen.

Denne teorien har føresagt fleire viktige fakta, som massen til Z-bosonet, før desse vart funne eksperimentelt. Det viser seg no at Higgs-bosonet er observert ved CERN. Det å observere Higgs-bosonet var eit av hovudføremåla med Large Hadron Collider (LHC) som er bygd ved CERN.

Kjelder

• Denne artikkelen bygger på «Svak kjernekraft» frå Wikipedia på bokmål, den 23. februar 2013.
  • Wikipedia på bokmål oppgav desse kjeldene:
• 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. 

Sjå òg

• Standardmodellen
• Kvantemekanikk

Bakgrunnsstoff

• Omtale for Nobelprisen i fysikk 1957 (P symmetri/brot)
• Omtale for Nobelprisen i fysikk 1979 (Elektrosvak teori og nøytral strøm)
• Omtale for Nobelprisen ifysikk 1980 (CP-symmetribrot)
• Omtale for Nobelprisen i fysikk 1984 (W- og Z-boson)
• Svak Vekselvirkning ved Stanford Linear Accelerator Center virtial visitor center