نیروی هسته ای ضعیف و بوزون های برداری

در حالیکه نیروی هسته ای قوی نوکلئون های اتم را کنار هم نگه میدارد ، نیروی هسته ای ضعیف میتواند سبب واپاشی های هسته ای و دگرگون کردن بعضی از ذرات به ذرات دیگر شود . علت نامگذاری این نیرو به نام نیروی هسته ای ضعیف این است که  حدودهزاربرابرضعیف ترازنیرویالکترومغناطیسی وحدود صدهزاربارضعیف تراز نیروی هسته ای قوی می باشد . تمامی ...

 تمامی ذرات بنیادی ، به استثنای حاملین نیروی دیگر نیروها و بوزون های هیگز ، بوسیله ی نیروی هسته ای ضعیف برهم کنش میکنند . اما معمولا اثرات نیروی ضعیف بوسیله ی دیگر نیروهای قویتر پوشانده میشود . نیروی هسته ای ضعیف ، زمانیکه بیشتر برهم کنش های بین دو کوارک در نظر گرفته شود ، خیلی چشمگیر نیست . برای مثال ،  وقتی که یک کوارک ،کوارک دیگری را بیرون میاندازد ، نیروی هسته ای قوی کاملا نیروی هسته ای ضعیف را در بر میگیرد . نیروی هسته ای ضعیف تاثیر چشمگیری بر واکنشهای بین دو ذره ی بار دار ندارد ، همانند واکنش بین یک الکترون و یک پروتون . نیروی الکترومغناطیسی در این واکنش ها حکمفرماست .

زمانیکه واکنش شامل نیروی الکترومغناطیسی و نیروی قوی نباشد نیروی ضعیف قابل توجه و مهم میشود . برای مثال ، نوترینوها نه بارالکتریکی دارند و نه بار رنگی ، بنابراین تمامی واکنش های شامل نوترینوها باید بعلت یکی از دو نیروی ضعیف یا گرانشی باشد . نیروی گرانشی در مقیاس ذرات بنیادی ضعیفتر از نیروی ضعیف است بنابراین نیروی ضعیف در واکنش نوترینوها حکمفرماست .

یک مثال از واکنشهای هسته ای ضعیف واپاشی بتای شامل واپاشی نوترون است . زمانیکه یک نوترون واپاشیده میشود ، آن به یک پروتون تبدیل شده و یک الکترون و یک آنتی نوترینوی الکترون گسیل میکند . نوترون و آنتی نوترینو بی بار هستند، اینکه نیروی الکترومغناطیسی باعث باشد غیر محتمل است . آنتی نوترینو و الکترون بی رنگ هستند بنابراین نیروی قوی در میان نیست . واپاشی بتا تنها با نیروی ضعیف توجیه شدنی است .

نیروی هسته ای ضعیف بوسیله ی 3 بوزون برداری حمل و منتقل میشود . این بوزون هاW+  ، W- و Z0  نامیده میشوند . بوزون های W بار دارند (+1 و -1 ) ، بنابراین آنها نیروی الکترومغناطیسی را حس میکنند . این دو بوزون پادذره ی نظیر هم هستند ، درحالیکهZ0  پادذره ی خودش است . هرسه بوزون برداری بی رنگ هستند . ویژگی خاص بوزون های برداری جرم آنهاست . نیروی ضعیف تنها نیرویی است که توسط ذرات جرم دار حمل میشوند . این حاملین نیروی سنگین نمیتوانند به اندازه ی حاملین نیروی بدون جرم مربوط به سه نیروی دوربرد دیگر جابجا شوند بنابراین نیروی هسته ای ضعیف در فاصله ی کوتاهتری نسبت به سه نیروی دیگر اثر میکند .

زمانیکه نیروی هسته ای ضعیف یک ذره ای را تحت تاثیر قرار میدهد ، ذره یکی از سه بوزون برداری (W+ ، W-  یا Z0 )را گسیل کرده و به ذره ای دیگر تبدیل میشود . بوزون برداری ضعیف سپس واپاشیده شده و ذرات دیگر را بوجود می آورد . در واکنش های شامل W+  و W-  ذره به ذره ای دیگر با بارالکتریکی مخالف تبدیل میشود . برای مثال در واپاشی بتا ، یکی از کوارک های پایین موجود در نوترون به یک کوارک بالا تبدیل شده و یک بوزون W آزاد میکند .  این تغییر در نوع کوارک سبب میشود نوترون (شامل دو کوارک پایین و یک کوارک بالا )  به پروتون (یک کوارک پایین و دو کوارک بالا ) تبدیل میشود . بوزون W آزاد شده توسط نوترون  میتواند به یک الکترون و یک آنتی نوترینوی الکترون واپاشیده شود . در واکنش های Z0 ، ذره به ذره ای با  بارالکتریکی مشابه تبدیل میشود .

یک کوارک یا لپتون تنها بوسیله ی واکنش های هسته ای ضعیف میتواند به کوارک یا لپتونی از نسل دیگرتبدیل شود . بنابراین علت اینکه تمامی مواد پایدار تنها شامل نسل اول کوارک ها و لپتون ها هستند ، نیروی ضعیف است . نسل دوم و سوم کوارک ها و لپتون ها از مشابه نسل اولشان سنگینترند ، بنابراین بوسیله ی معاوضه ی بوزون های W وZ  بسرعت به نسل اول لپتون ها و کوارک ها که سبکترند ، واپاشیده میشوند . نسل اول ذرات مشابه سبکتری ندارند که به آن واپاشیده شوند ، بنابراین پایدار هستند .

منبع : دایره المعارف اینکارتا