Zayıf Kuvvet Nedir? Yıldızların Yakıtını ve Yeni Elementlerin Doğumunu Mümkün Kılan Zayıf Etkileşimler Nelerdir?

Zayıf kuvvet (veya zayıf etkileşim), evrendeki tüm maddeyi yöneten dört temel kuvvetten biridir; diğer üçü kütleçekimi, elektromanyetizma ve güçlü kuvvettir. Diğer güçler, bir şeyleri bir arada tutarken, zayıf güç, şeylerin parçalanmasında veya bozunmasında daha büyük rol oynar.

Zayıf kuvvet, kütleçekiminden daha güçlüdür; ancak yalnızca çok kısa mesafelerde etkilidir. Atom altı seviyede hareket eder ve yıldızlara yakıt olmada ve elementler yaratmada çok önemli bir rol oynar. Thomas Jefferson Ulusal Hızlandırıcı Tesisi'ne (Jefferson Lab) göre, evrendeki doğal radyasyonun çoğundan da sorumludur.

Zayıf kuvvet ilk olarak 1896'da, Henri Becquerel'in uranyum radyoaktivitesi deneylerinde gözlemlenmiştir. Daha sonrasında 1929'da Pauli, "nötrino" isimli parçacıkların varlığını öngörmüş, 1956'da ise nötrinolar ilk defa gözlemlenmiştir.

İtalyan fizikçi Enrico Fermi, 1933'te beta bozunmasını açıklamak için bir teori geliştirdi; bu, bir çekirdekteki bir nötronun protona dönüştüğü ve bu bağlamda genellikle beta parçacığı olarak adlandırılan bir elektronu dışarı attığı süreçtir. İtalyan fizik tarihçisi Giulio Maltese, 2013'te Lettera Matematica dergisinde yayınlanan "Particles of Man" adlı makalesine şöyle yazıyor:

Bozulmadan sorumlu olan ve temel süreci bir nötronu protona, elektrona ve nötrinoya dönüştüren zayıf etkileşim denen yeni bir güç türü tanımladı.

The Road to Reality (Kitap, sayfa 668)

The Road To Reality (Sayfa 669)

Maltese'ye göre, Fermi başlangıçta bunun sıfır mesafe veya yapışma kuvveti anlamına gelen şeyi içerdiğini düşünüyordu; bu sayede kuvvetin çalışması için iki parçacığın gerçekten birbirine değmesi gerekiyordu.

Standart Model'de Parçacıklar ve Zayıf Kuvvetin Yeri

Avrupa Nükleer Araştırma Örgütü olarak bilinen CERN'e göre, zayıf kuvvet, maddenin temel yapısını "zarif denklemler dizisi" kullanarak tanımlayan, parçacık fiziğinin hüküm süren teorisi Standart Model'in bir parçasıdır. Standart Model kapsamında, daha küçük parçalara ayrılamayanlar temel parçacıklar, evrenin yapı taşlarıdır.

Bu parçacıklardan biri kuarktır. Bilim insanları kuarktan daha küçük bir şey olduğuna dair herhangi bir belirti görmediler, ama hala aramaktalar. Kuarkların altı türü veya "çeşnisi" vardır; kütleye göre artan sırada: yukarı, aşağı, garip, tılsım, alt ve üst.

Pittsburgh Süper Hesaplama Merkezi'ne göre, farklı kombinasyonlarda atom altı parçacık hayvanat bahçesinin birçok farklı türünü oluştururlar. Örneğin, bir atom çekirdeğinin "büyük" parçacıkları olan protonlar ve nötronlar, her biri üç kuarktan oluşan demetlerden oluşur. İki yukarı ve bir aşağı bir proton oluşturur; bir yukarı ve iki aşağı bir nötron oluşturur. Bir kuarkın "çeşnisini" değiştirmek bir protonu bir nötron haline getirebilir, böylece elementi farklı bir elemente dönüştürebilir.

Bir başka temel parçacık türü bozondur. Bunlar, enerji demetlerinden oluşan kuvvet taşıyıcı parçacıklardır. Fotonlar bir tür bozondur; gluonlarsa bir başka türüdür. Dört kuvvetin her biri, kuvvet taşıyıcı parçacıkların değişiminden kaynaklanır. Güçlü kuvvet gluon tarafından taşınırken, elektromanyetik kuvvet foton tarafından taşınır. Graviton, teorik olarak yer çekiminin kuvvet taşıyan parçacığıdır; ancak henüz bulunamamıştır.

W ve Z Bozonlar Nedir?

Zayıf kuvvet, W ve Z bozonları tarafından taşınır. Bu parçacıklar 1960'larda Nobel ödüllü Steven Weinberg, Sheldon Salam ve Abdus Glashow tarafından tahmin edildi ve 1983'te CERN'de keşfedildi. W ve Z bozonları birlikte zayıf veya daha genel olarak ara vektör bozonları olarak bilinir. Bu temel parçacıklar zayıf etkileşime aracılık eder; ilgili semboller W + , W− ve Z₀.

W± Bozonlar, pozitif veya negatif 1 temel yüke sahip elektrik yüküne sahiptir ve birbirlerinin antiparçacıklarıdır. Z₀ bozon elektriksel olarak nötrdür ve kendi antiparçacığıdır. Üç parçacığın dönüşü 1'dir. W± bozonların manyetik bir momenti vardır, ancak Z₀'ın yoktur. Bu parçacıkların üçü de çok kısa ömürlüdür ve yaklaşık 3 × 10^-25 saniyelik bir yarılanma ömrü vardır.

İki W bozonu, nötrino emilimi ve emisyonunun doğrulanmış aracılarıdır. Bu işlemler sırasında, W± Bozonlarının yükü elektron veya pozitron emisyonunu veya absorpsiyonunu indükleyerek nükleer dönüşüme neden olur. Z Bozon, nötrinolar maddeden elastik olarak saçıldığında (yükü koruyan bir süreç) momentum, spin ve enerji transferine aracılık eder. Z Bozon, elektronların veya pozitronların emiliminde veya emisyonunda yer almaz. Bir elektron, kinetik enerjiyle aniden hareket eden yeni bir serbest parçacık olarak gözlemlendiğinde, bu davranış, nötrino ışını mevcut olduğunda daha sık meydana geldiğinden, elektronla doğrudan etkileşime giren bir nötrinonun sonucu olduğu sonucuna varılır. Bu süreçte nötrino basitçe elektrona çarpar ve sonra ondan uzaklaşarak nötrino momentumunun bir kısmını elektrona aktarır.

W bozonları elektrik yüklüdür ve sembolleri ile belirtilir: W+ (pozitif yüklü) ve W− (negatif yüklü). W bozonu, parçacıkların yapısını değiştirir. Elektrik yüklü bir W bozonu yayarak, zayıf kuvvet kuarkın "aromasını" değiştirir ve bu da bir protonun bir nötron olarak değişmesine neden olur veya bunun tersi de geçerlidir. CERN'e göre, nükleer füzyonu tetikleyen ve yıldızların yanmasına neden olan şey budur. Yanma; bitkiler, insanlar ve dünyadaki diğer her şeyle birlikte gezegenler için yapı taşları haline gelmek üzere, süpernova patlamalarında uzaya fırlatılan, daha ağır elementler yaratır.

Z bozonu nötr olarak yüklüdür ve zayıf bir nötr akım taşır. Parçacıklarla etkileşimini tespit etmek zordur. W ve Z bozonlarını bulmaya yönelik deneyler, 1960'larda elektromanyetik kuvvet ile zayıf kuvveti birleşik bir "elektrozayıf kuvveti" adı altında birleştiren bir teoriye yol açtı. Bununla birlikte, teori, kuvvet taşıyan parçacıkların kütlesiz olmasını gerektiriyordu ve bilim adamları, kısa menzilini hesaba katmak için teorik W bozonunun ağır olması gerektiğini biliyorlardı. CERN'e göre, teorisyenler, bir Higgs bozonunun varlığını gerektiren, Higgs mekanizması olarak adlandırılan, görünmeyen bir mekanizma sunarak W'nin kütlesini açıkladılar. 2012'de CERN, dünyanın en büyük atom parçalayıcısını kullanan bilim adamları "Higgs bozonu görünümüyle tutarlı" yeni bir parçacık gözlemlediklerini bildirdi.

Beta Bozunumu ile Zayıf Kuvvetin İlişkisi

Bir nötronun protona dönüştüğü ve bunun tersinin gerçekleştiği sürece beta bozunumu denir. Lawrence Berkeley Ulusal Laboratuvarı (LBL) şöyle diyor:

Beta bozunumu, çok fazla proton veya çok fazla nötron içeren bir çekirdekte proton veya nötronlardan biri diğerine dönüştüğünde meydana gelir.

W ve Z bozonlar, kuarklar "çeşni" değiştirirken; nötrino, anti-nötrino, elektron veya pozitron emisyonu yaparak parçacıklar arasında momentum ve enerji aktarımına izin veren "zayıf etkileşimleri" oluşturmaktan görevlidir.

LBL'ye göre beta bozunumu iki yolla gerçekleşebilir. Bazen β⁻ bozunması olarak tanımlanan beta eksi bozunmada, bir nötron bozunarak bir protona, bir elektrona ve bir antinötrinoya dönüşür. Bazen β⁺ bozunması olarak tanımlanan beta artı bozunumunda, bir proton bozunarak bir nötron, bir pozitron ve bir nötrinoya dönüşür. Bir element, nötronlarından biri kendiliğinden beta eksi bozunum yoluyla bir protona dönüştüğünde veya protonlarından biri kendiliğinden beta artı bozunma yoluyla bir nötron haline geldiğinde başka bir elemente dönüşebilir.

Wikipedia

Elektron Yakalama ile Beta Bozunum Benzerliği

Protonlar ayrıca elektron yakalama veya K-yakalama adı verilen bir işlemle nötrona dönüşebilirler. Bir çekirdekteki nötron sayısına göre fazla sayıda proton olduğunda, genellikle en içteki elektron kabuğundan (K-Shell) bir elektron, çekirdeğin içine çekilir. Massachusetts Teknoloji Enstitüsü'nde nükleer mühendislik bölümünde profesör olan Jacquelyn Yanch'a göre, 2001'de "Bozunum Mekanizmaları" adlı makalesinde dediği üzere:

Elektron yakalamada, yörüngesel bir elektron ana çekirdek tarafından yakalanır ve ürünler yavru bir çekirdek ile bir nötrinodur.

Ortaya çıkan yavru çekirdeğinin atom numarası 1 azalır, ancak toplam proton ve nötron sayısı aynı kalır.

Her durumda β⁺ Bir çekirdeğin bozunmasına (pozitron emisyonu) enerjik olarak izin verilir, bu yüzden elektron yakalamasına da izin verilir. Bu, bir çekirdeğin atomik elektronlarından birini yakaladığı ve bir nötrino emisyonuyla sonuçlandığı bir süreçtir.

Yayılan nötrinoların tümü aynı enerjiye sahiptir. Başlangıç ​​ve son durumlar arasındaki enerji farkının $2m_e{c}^2$ 'den az olduğu proton açısından zengin çekirdeklerde, β⁺ bozunma enerjisel olarak mümkün değildir ve elektron yakalama tek bozunum yoludur.

Wikipedia

Nükleer Füzyonda Zayıf Etkileşimin Rolü

Zayıf kuvvet, güneşe ve termonükleer (hidrojen) bombalarına güç veren nükleer füzyonda önemli bir rol oynar. Hidrojen füzyonundaki ilk adım, iki protonu elektromanyetik kuvvet nedeniyle yaşadıkları karşılıklı itmenin üstesinden gelmek için yeterli enerjiyle birlikte çarpıştırmaktır. İki parçacık birbirine yeterince yaklaştırılabilirse, güçlü kuvvet onları birbirine bağlayabilir. Bu, iki proton ve iki nötron içeren stabil helyum formunun (⁴He) aksine, iki protonlu bir çekirdeğe sahip kararsız bir helyum formu (²He) oluşturur.

Bir sonraki adım, zayıf gücün devreye girdiği yerdir. Protonların fazlalığı nedeniyle, çiftlerden biri beta bozunmasına uğrar. Bundan sonra, ³He'nin ara oluşumu ve füzyonu dahil olmak üzere diğer müteakip reaksiyonlar sonunda kararlı ⁴He oluşturur.

Bu işlemler gerçekleşirken, iki protonun bir araya gelip bir proton, bir nötronluk bir yavru çekirdeğe dönüşmesini sağlayan basamakta zayıf kuvvetler aktif rol alırlar. İki proton aynı yüke sahip olduğu için birbirini epey kuvvetlice itecektir ancak yeteri kadar yakınlaşmaları mümkün olursa (Çarpışma hızları sayesinde) zayıf kuvvetler protonlardan birini nötrona bozacak ve iki baryonun bir arada kalabilmesini sağlayacaktır.

Wikipedia

Zayıf Etkileşim (Kuvvet) Türleri

Zayıf etkileşimlerin aracıları (QED'deki fotonlara ve QCD'deki gluonlara benzer) W'ler (W+ ve W-) ve Z₀'dır. Kütlesiz foton ve gluonların aksine, bu "ara vektör bozonları" son derece ağırdır. Bugüne kadar tespit edilen en ağır temel parçacıklar bozonlardır. Deneysel olarak:

$M_W=82\pm 2GeV/c^2$ , $M_Z=92\pm 2GeV/c^2$

Yüklü Zayıf Etkileşimler

"Yüklü" zayıf etkileşimler teorisi (W'lerin aracılık ettiği) "nötr" olanlardan (Z'nin aracılık ettiği) daha basittir. W’lerin leptonlarla, kuarklarla ve hadronlarla eşleşmeleri yüklü zayıf etkileşimlere girer.

Temel leptonik vertex'i:

Introduction to Elementary Particles ( Kitap )

Feynman kuralları, vertex faktörü hariç olmak üzere, kuantum elektrodinamikleri ile aynıdır:

$\frac{i{g}_w}{2\sqrt{2}}{\gamma }^{\mu }(1-{\gamma }^5)$ (Zayıf vertex faktörü)

Bir tür yüklü akım etkileşiminde, yüklü bir lepton (−1 yüke sahip bir elektron veya bir müon gibi) bir W + bozon (+1 yüklü bir parçacık) ve böylece karşılık gelen bir nötrinoya (0 yüklü) dönüştürülür, burada nötrino (elektron, müon veya tau) türü ("lezzet") etkileşimdeki leptonun türüyle, örneğin:

${\mu }^{-}+W^{+}\to {\upsilon }_{\mu }$

Benzer şekilde, aşağı tip bir kuark (- 1⁄3 yüke sahip d), yukarı tip kuarka (u, + 2⁄3 yük ile) W- bozon yayarak veya W+ bozon soğurarak dönüşebilir. Daha doğrusu, aşağı tip kuark, yukarı tip kuarkların bir kuantum süperpozisyonu haline gelir: yani, CKM matris tablolarında verilen olasılıklarla, üç yukarı tip kuarktan herhangi biri olma olasılığı vardır. Tersine, yukarı tip bir kuark bir W + bozonu yayabilir veya bir W− bozonu soğurabilir ve böylece aşağı tip bir kuarka dönüştürülebilir, örneğin:

$d\to \upsilon +W^{-}$

$d+W^{+}\to \upsilon$

$c\to s+W^{+}$

$c+W^{-}\to s$

Bir nötronun sözde beta bozunmasında, nötron içindeki bir aşağı kuark sanal bir W− bozonu yayar ve böylece bir yukarı kuarka dönüştürülerek nötron bir protona dönüştürülür. Sürece dahil olan enerji nedeniyle (yani, aşağı kuark ve yukarı kuark arasındaki kütle farkı), W− bozonu yalnızca bir elektrona ve bir elektron-antinötrinoya dönüştürülebilir. Kuark seviyesinde süreç şu şekilde temsil edilebilir:

$d\to \mu +e^{-}+{\nu }_e$

Nötr Yüklü Etkileşimler

Nötr akım etkileşimlerinde, bir kuark veya bir lepton (örneğin bir elektron veya bir müon) nötr bir Z bozonu yayar veya soğurur. Genelde Z bozonun yaptığı temel şey, bir müonu anti-müon'a çevirmek veya bir pozitronu bir elektrona çevirmektir. Örneğin:

$e^{+}\to e^{-}-+Z^0$