Ασθενείς αλληλεπιδράσεις

Άρθρο, Φεβρουάριος 2002

Μία από τις τέσσερις θεμελιώδεις αλληλεπιδράσεις, που ευθύνεται για τις διασπάσεις των βαρέων κουάρκ και λεπτονίων σε ελαφρύτερα κουάρκ και λεπτόνια, ώστε να αλλάξει η γεύση τους. Μολονότι δεν είναι άμεσα αντιληπτή, η σημασία της είναι σημαντική. Οσα σωματίδια αισθάνονται την ασθενή αλλά όχι την ισχυρή αλληλεπίδραση τα ονομάζουμε λεπτόνια,

Όταν τα θεμελιώδη σωματίδια διασπώνται παρατηρούμε το εξής παράξενο φαινόμενο: το σωματίδιο εξαφανίζεται και αντικαθίσταται από δύο ή περισσότερα διαφορετικά σωματίδια. Μολονότι η ολική ενέργεια και μάζα διατηρούνται, ένα μέρος της μάζας του αρχικού σωματιδίου μετατρέπεται σε κινητική ενέργεια, ενώ τα παραγόμενα σωματίδια έχουν, πάντα,  συνολικά μικρότερη μάζα από την μάζα του αρχικού σωματιδίου που διασπάται.

Η ασθενής αλληλεπίδραση, είναι σχετικά πολύ ασθενής αλληλεπίδραση και συνήθως προλαμβάνεται, χρονικά, από τις ηλεκτρομαγνητικές και ισχυρές αλληλεπιδράσεις, εκτός κι αν αυτές απαγορεύονται από τους νόμους διατήρησης κβαντικών αριθμών (ομοτιμίας, γεύσης, ισοτοπικού σπιν κλπ).

Οι παρουσιαζόμενες ασθενείς αλληλεπιδράσεις περιλαμβάνουν νετρίνα ή αντινετρίνα (με μηδενικό φορτίο και "ισχυρό" φορτίο) ή κουάρκ με αλλαγή γεύσης, που απαγορεύονται από τις ισχυρές και ηλεκτρομαγνητικές δυνάμεις.

Ενώ η εκπομπή της ακτινοβολίας γ από ένα πυρήνα μπορεί να γίνει πολύ γρήγορα, η εκπομπή ενός ζεύγους ηλεκτρονίου-νετρίνου μπορεί να χρειαστεί ώρες, μήνες ή ακόμη και χρόνια. Από το γεγονός αυτό όλες οι μετατροπές των σωματιδίων είναο γνωστές ως ασθενείς αλληλεπιδράσεις.

Η συνηθισμένη ύλη γύρω μας αποτελείται από τα ελαφρύτερα κουάρκ (up και down) καθώς και τα λεπτόνια (ηλεκτρόνια και τα νετρίνα τους), τα οποία δεν μπορούν να διασπασθούν ακόμη περισσότερο.περαιτέρω. 

Όταν όμως ένα κουάρκ ή ένα λεπτόνιο αλλάζουν τύπο (για παράδειγμα ένα μιόνιο μετατρέπεται σ' ένα ηλεκτρόνιο) τότε λέμε ότι αλλάζει γεύση. Όλες οι αλλαγές γεύσης έχουν σαν αιτία την ασθενή αλληλεπίδραση. 

Τα σωματίδια που αισθάνονται την ασθενή δύναμη, ανταλλάσσουν τα ενδιάμεσα διανυσματικά μποζόνια, W+, W- και το Zo, τα οποία έχουν μάζες της τάξεως των 80 GeV, ενώ η αρχή της αβεβαιότητας υπαγορεύει μια περιοχή δράσης περίπου 10^-18 m που είναι περίπου το 0.1% της διαμέτρου του πρωτονίου.

Επίσης η ασθενής είναι 10^-4 φορές ασθενέστερη της ηλεκτρομαγνητικής αλληλεπίδρασης.

Η ασθενής δύναμη, παίζει κρίσιμο ρόλο στην δομή του σύμπαντος για τους εξής λόγους:

1. Ο Ήλιος δεν θα μπορούσε να λάμπει δίχως την ασθενή αλληλεπίδραση η οποία προξενεί τον μετασχηματισμό του πρωτονίου σε νετρόνιο, ώστε να μπορεί να σχηματισθεί το δευτέριο και να μπορεί να γίνει η σύντηξη του δευτερίου.  Η αντίδραση αυτή λέγεται πρωτονίου-πρωτονίου και σε κάθε κύκλο της αντίδρασης αυτής, ελευθερώνεται ενέργεια 25 MeV, κάνοντας έτσι την θερμοκρασία του πυρήνα του Ήλιου να φθάσει 15 εκατομμύρια βαθμούς Kelvin. Στο σχήμα φαίνεται λεπτομερώς τι συμβαίνει με την αντίδραση:

2. Είναι αναγκαία για την κατασκευή των βαρέων πυρήνων.

Η διάσπαση β του νετρονίου

Η θεωρία των quarks δέχεται ότι το νετρόνιο αποτελείται από τρία σωματίδια κουάρκς: 1 up και 2 down με συνολικά φορτίο μηδέν. Στα παρακάτω διαγράμματα φαίνονται οι δύο σύγχρονες εικόνες που έχουμε για την αποσύνθεση του νετρονίου, μέσω των ασθενών αλληλεπιδράσεων.

Πρώτα ένα down κουάρκ μετατρέπεται σε up. Το σωμάτιο W που ελευθερώνεται (σαν φορέας ασθενών αλληλεπιδράσεων) μπορεί να αλληλεπιδράσει με ένα νετρίνο και να προκύψει ένα βήτα σωματίδιο (αριστερή εικόνα) ή να διασπαστεί σε ένα αντινετρίνο και ένα ηλεκτρόνιο ή βήτα σωματίδιο (δεξιά εικόνα). Παρατηρείται επίσης πως αλλάζει το είδος των σωματιδίων μέσω της ανταλλαγής του W, αλλά η αλλαγή αυτή γίνεται στην ίδια διπλέτα των λεπτονίων (ηλεκτρόνιο-νετρίνο του) και στην διπλέτα των κουάρκ (up-down).

Ο ρόλος της ασθενούς δύναμης στον μετασχηματισμό των κουάρκ, την κάνει να εμπλέκεται σε πολλές διασπάσεις των πυρηνικών σωματιδίων που απαιτούν μια αλλαγή της γεύσης των κουάρκ από τον ένα τύπο στον άλλο.

Η ανακάλυψη των μποζονίων  W και Z το 1983 ήρθε σαν μια επιβεβαίωση της ηλεκτρασθενούς θεωρίας που συνδέει την ασθενή δύναμη με την ηλεκτρομαγνητική. Η θεωρία αυτή δέχεται την ίδια ένταση των ασθενών με τις ηλεκτρομαγνητικές αλληλεπιδράσεις αλλά σε πάρα πολύ υψηλές ενέργειες. 

Το μαθηματικό υπόβαθρο της θεωρίας αυτής είναι η λεγόμενη ομάδα SU(2) (Special Unitary) η οποία περιγράφεται από 3 γεννήτορες. Αυτό σημαίνει την ύπαρξη 3 σωματιδίων ανταλλαγής W+, W-, Zo (διαδότες της ασθενούς αλληλεπίδρασης). Επίσης όσοι διαδότες έχουν  φορτίο αλληλεπιδρούν και μεταξύ τους όπως και τα φορτία.

Ο Pauli από την μελέτη της διάσπασης του νετρονίου (στην οποία όπως είπαμε κύριο ρόλο παίζει η ασθενής δύναμη), υπέθεσε την ύπαρξη του σωματιδίου 'φάντασμα' νετρίνο.

Στις παρακάτω εικόνες βλέπουμε τι συμβαίνει ακριβώς:
Αρχικά σ' ένα ραδιενεργό πυρήνα, ένα νετρόνιο βρίσκεται σε στάση μηδενικής ορμής.
1. Απελευθερώνει ένα πρωτόνιο και ένα ηλεκτρόνιο.
2 Λόγω της αρχής διατήρησης της ορμής, τα προϊόντα που παράγονται από την διάσπαση πρέπει να έχουν συνολική ορμή μηδέν, αλλά που τα παρατηρούμενα πρωτόνιο και ηλεκτρόνιο δεν έχουν.
3 Γι' αυτό χρειάζεται η παρουσία ενός άλλου σωματιδίου με την κατάλληλη ορμή για να εξισορροπεί το γεγονός.
4 Υποθέτουμε ότι απελευθερώθηκε ένα αντινετρίνο.