W fizyce cząstek oddziaływanie słabe jest niezbędne do przekształcania kwarków, zmieniania struktur atomowych i umożliwiania transmutacji pierwiastków.
Oddziaływanie słabe to siła, która powoduje, że kwark zmienia się w inny rodzaj kwarku lub zmienia ładunek kwarka. Jest to jedna z trzech podstawowych sił Modelu Standardowego Fizyki Cząstek — sił, których nie można zredukować do jeszcze mniejszej siły. W Modelu Standardowym fizyki cząstek oddziaływanie słabe przenoszone jest przez cząstki subatomowe zwane bozonami W i Z.
Transformacje kwarków i konwersja elementów
Zmieniając kwarki na inne rodzaje kwarków, oddziaływanie słabe przekształca protony w neutrony i odwrotnie. Jest to ważne, ponieważ ta konwersja powoduje, że atomy zmieniają się z jednego pierwiastka w drugi. Protony zawierają dwa kwarki górne i jeden dolny. Neutrony zawierają jeden kwark górny i dwa kwarki dolne. W jądrze atomowym protony i neutrony są utrzymywane razem przez oddziaływanie silne. W przeciwieństwie do tego, siła słaba nie utrzymuje rzeczy razem ani ich nie rozdziela. Zamiast tego zmienia „smak” kwarka w taki sposób, że zmienia się on z kwarka górnego na kwark dolny i odwrotnie. Zmieniając kwarki w różne typy kwarków, oddziaływanie słabe zmienia neutrony w protony, a protony w neutrony.
Mechanizmy słabej interakcji i jej skutki
Zmiana ta opisuje proces zwany „słabą interakcją”. Jednym z rodzajów słabych oddziaływań jest rozpad beta, rodzaj rozpadu radioaktywnego. Jedną z form rozpadu beta jest rozpad beta plus, który obejmuje oddziaływanie słabe, powodujące zmianę protonu w neutron. W procesie tym uwalnia się pozyton i neutrino elektronowe. Zmniejsza także liczbę atomową pierwiastka o jeden, zamieniając go w inny pierwiastek. W rezultacie węgiel-10 rozpada się na bor 10. Inną formą rozpadu beta jest rozpad beta minus, który obejmuje oddziaływanie słabe, powodujące zmianę neutronu w proton. W procesie tym powstaje elektron i antyneutrino elektronowe. Zwiększa także atomliczbę atomową o jeden i w podobny sposób zmienia ją na inny pierwiastek. Na przykład węgiel-14 zmienia się w azot-14.
Badanie różnorodności słabych interakcji
Oprócz rozpadu beta naukowcy zidentyfikowali wiele innych rodzajów słabych interakcji. Te słabe interakcje to oddziaływania „prądu naładowanego” lub „prądu neutralnego”. Interakcje „prądu naładowanego” zmieniają ładunek kwarka, podczas gdy interakcje „prądu neutralnego” nie. Dlatego istnieją dwa rodzaje bozonów: bozon W niesie ładunek, a bozon Z nie.
Słabe fakty dotyczące siły
DOE Office of Science: Wkład w model standardowy fizyki cząstek
DOE ma długą historię wspierania badań nad cząstkami podstawowymi i siłami nimi rządzącymi. Pięć z sześciu typów kwarków, jeden typ leptonu i wszystkie trzy neutrina odkryto w instytucjach, które obecnie są krajowymi laboratoriami DOE. Naukowcy wspierani przez Biuro Naukowe DOE, często we współpracy z naukowcami z całego świata, przyczynili się do nagrodzonych Nagrodą Nobla odkryć i pomiarów, które udoskonaliły Model Standardowy.
Wysiłki te są kontynuowane dzisiaj. Naukowcy wspierani przez Biuro Naukowe DOE przeprowadzają eksperymenty, które dokonują precyzyjnych testów Modelu Standardowego i dodatkowo ulepszają pomiary właściwości cząstek i ich interakcji. Teoretycy współpracują z naukowcami eksperymentalnymi nad opracowaniem nowych sposobów badania Modelu Standardowego przy użyciu akceleratorów cząstek i innych narzędzi. Badania te mogą dostarczyć wglądu w nieznane cząstki i siły związane z ciemną materią, ciemną energią i tym, co stało się z antymaterią po wybuchu Wielki Wybuch.
