miniatyr|Feynmandiagram över betasönderfall där en neutron omvandlas till en proton genom den svaga växelverkan. En nedkvark övergår i en uppkvark och avger en W−-boson, som sönderfaller till en elektron och en elektronantineutrino. Svag växelverkan eller svag kärnkraft är en av de fyra fundamentala krafterna i naturen. Den ligger bland annat bakom betasönderfall, en form av radioaktivt sönderfall. Den förmedlas av W-bosonerna (W+ och W−) och Z-bosonen (Z0).
Den svaga växelverkan verkar på kvarkar och leptoner, däribland neutriner, och kan genom laddade W-bosoner omvandla kvarkar från en smak till en annan. Den har mycket kort räckvidd, omkring 10−18 meter, vilket hänger samman med W- och Z-bosonernas stora massor. I standardmodellen beskrivs den svaga och den elektromagnetiska växelverkan som delar av en gemensam elektrosvag växelverkan.
Egenskaper Den svaga växelverkan påverkar neutriner, laddade leptoner och kvarkar.
Med en mycket begränsad räckvidd verkar den svaga växelverkan endast över avstånd på omkring 10−18 meter, ungefär en protons radie. Denna korta räckvidd beror på W- och Z-bosonernas stora massa (cirka 90 GeV), som också gör partiklarna kortlivade – deras livslängd är i medel kortare än 1×10−24 sekunder.
Den svaga växelverkan bryter mot paritet, det vill säga spegelsymmetrin mellan höger och vänster. Växelverkan kan ske genom antingen en laddad ström, där de reagerande partiklarna ändrar elektrisk laddning, eller en neutral ström, där deras laddning inte ändras.
Teoretisk beskrivning Den elektromagnetiska kraften och den svaga kärnkraften kan tolkas som två skilda sidor av en enda elektrosvag växelverkan. Den elektrosvaga teorin i standardmodellen är en renormaliserbar gaugeteori baserad på symmetrigruppen SU(2) × U(1), vars kvanttal kallas svagt isospinn respektive svag hyperladdning.
miniatyr|Översikt över växelverkningar mellan standardmodellens elementarpartiklar. Linjerna visar vilka partikeltyper som kan växelverka; W- och Z-bosonerna förmedlar den svaga växelverkan. Genom spontant symmetribrott i Higgsfältet bryts den elektrosvaga symmetrin till elektromagnetismens U(1)-symmetri, varvid W- och Z-bosonerna får massa medan fotonen förblir masslös. Fotonfältet och Z-bosonfältet är olika linjärkombinationer av de neutrala gaugefälten B och W3, där blandningen bestäms av den svaga blandningsvinkeln θW. W+ och W− motsvarar de laddade svaga bosonfälten, medan Z-bosonen motsvarar det neutrala svaga bosonfältet.
De vänsterhänta lepton- och kvarkfälten bildar dubletter under SU(2), medan de högerhänta fermionfälten är singletter. För nedtypskvarkarna är växelverkansbasen och massbasen relaterade genom CKM-matrisen, som beskriver blandningen mellan olika kvarksmaker. Vid rörelsemängder som är små jämfört med W-bosonens massa kan den laddade svaga växelverkan beskrivas som en effektiv fyrfermionväxelverkan med Fermi-konstanten.
Fysikaliska processer Den svaga växelverkan gör det möjligt för kvarkar att förändras från en smak till en annan genom att avge en elektriskt laddad W-boson. För leptoner kopplar W-bosonerna exempelvis samman elektronen med elektronneutrinon i den laddade svaga växelverkan.
Ett viktigt exempel är betasönderfall, där en neutron kan omvandlas till en proton samtidigt som en elektron avges. Även myonens sönderfall är en process som sker genom laddad svag ström. I neutrala strömprocesser kan en neutrino spridas mot en elektron eller en hadron och därefter fortsätta som neutrino.
Den svaga växelverkan är också nödvändig för solens energiproduktion, eftersom det första steget i den reaktionskedja där väte omvandlas till helium innebär en omvandling av väte till deuterium som orsakas av den svaga växelverkan.
Historik miniatyr|Principen för Wu-experimentet, som visade att paritet inte bevaras vid svagt betasönderfall. Den första teorin för den svaga växelverkan lades fram av Enrico Fermi 1934 för att beskriva betasönderfall. På 1950-talet undersökte Tsung-Dao Lee och Yang Chen Ning om antagandet att elementarpartikelfysikens processer är symmetriska under spegling verkligen hade experimentellt stöd och föreslog experiment som kunde pröva detta. Det första av dessa experiment genomfördes av Chien-Shiung Wu och hennes medarbetare med radioaktiva koboltkärnor och visade att betasönderfallet inte är symmetriskt med avseende på höger och vänster.
Under 1960-talet utvecklade Sheldon Glashow, Abdus Salam och Steven Weinberg i separata arbeten en teori som förenade den svaga och den elektromagnetiska växelverkan i ett gemensamt teoretiskt ramverk. Deras bidrag till teorin om den förenade svaga och elektromagnetiska växelverkan ledde fram till Nobelpriset i fysik 1979, som delades mellan Glashow, Salam och Weinberg. I början av 1970-talet utvecklade Gerardus 't Hooft och Martinus J.G. Veltman den matematiska behandlingen av den elektrosvaga teorin så att den kunde användas för noggranna kvantitativa beräkningar.
År 1973 presenterade forskarna vid Gargamelle-experimentet vid CERN de första direkta beläggen för den svaga neutrala strömmen, som hade förutsagts av den elektrosvaga teorin. År 1983 upptäckte experimenten UA1 och UA2 vid CERN de W- och Z-bosoner som teorin förutsade som förmedlarpartiklar för den svaga växelverkan. För de avgörande bidragen till det projekt som ledde till upptäckten av W- och Z-bosonerna tilldelades Carlo Rubbia och Simon van der Meer Nobelpriset i fysik 1984.
Se även CP-symmetri Elektrosvag växelverkan Kärnkrafter Paritet Partikelfysik
Referenser Noter
Allmänna källor
B.R. Martin, G. Shaw; "Particle physics", John Wiley & Sons, Chichester (England), 3:e uppl. (2008).
Externa länkar 1957 års Nobelpris i fysik Svag växelverkan bevarar inte pariteten. 1979 års Nobelpris i fysik Teorin för elektrosvag växelverkan. 1980 års Nobelpris i fysik CP-symmetrin bevaras inte vid neutrala kaoners sönderfall.
Kategori:Växelverkan Kategori:Partikelfysik Kategori:Wikipedia:Basartiklar