نیروی هسته ای ضعیف

این نیرو بدون استثناء بر تمام ذرات جهان در فواصل بسیار کم حکم فرماست.

چند نکته مهم
این نیرو یکی از چهار نیروی اصلی طبیعت می باشد . این  نیرو در هسته اتم باعث واپاشی نوترون به پروتون و

یا تبدیل آنها به هم می شود .


 دراثر این واپاشی، هسته یک عنصر به عنصر دیگر تبدیل میشود. که این تبدیل عامل اصلی پرتوزایی و تولیدانرژی

هسته ای است. در ضمن نقش بسیار حیاتی این نیرو درواکنش های هسته ای خورشید، تبدیل هیدروژن به هلیم

است.

این نیرو ()مرتبه از نیروی الکترومغناطیسی و()مرتبه از نیروی هسته ای قوی ضعیف تر

و() مرتبه از نیروی گرانش قوی تر است .

برد این نیرو خیلی کوتاهتر ازبرد نیروی هسته ای قوی و درقاصله کمتر از()متر ظاهر میشود.

نیروی ضعیف، زمانی که بیشتر برهم کنش های بین دو کوارک در نظر گرفته شود ، خیلی چشمگیر نیست.

برای مثال،وقتی که یک کوارک، کوارک دیگری را بیرون می اندازد،نیروی قوی کاملا اثرات نیروی ضعیف را

می پوشاند.


تمامی ذرات بنیادی ( به غیر از ذراتی که نیرو های دیگر را حمل میکنند و همچنین بوزون های هیگز ) بوسیلۀ 

نیروی ضعیف برهم کنش میکنند . اما معمولا اثرات نیروی ضعیف بوسیله ی دیگر نیروهای قویتر پوشانده میشود

این نیرو باعث واپاشی بتا (یعنی تبدیل یک نوترون به یک پروتون، یک الکترون و یک آنتی نوترون)و ذرات

مختلف (یعنی آنهایی که «شگفتند) می شود.

ذرات شگفت به وسیله فعل و انفعالات قوی تشکیل می شوند اما به وسیله فعل و انفعالات ضعیف دچار واپاشی

می گردند(این همان چیز عجیبی است که در مورد شگفت ها وجود دارد) .

بسیاری از ذرات نسبت به هیچ یك از دونیروی قوی كوارك و نیروی الكترو مغناطیس، واكنش نشان نمی دهند

از آن میان ذراتی هستند كه فاقد با ر الکتریكی و رنگ هستند.

 برای این گونه ذرات یك نیروی بنیادی دیگر بنام نیروی هسته ای ضعیف وجود دارد كه درفاصله های خیلی

خیلی كم كارمی کند.


درحالیکه نیروی قوی نوکلئون ها(یعنی پروتون و نوترون) را داخل هسته اتم کنارهم نگه میدارد،نیروی ضعیف

میتواند سبب واپاشی های هسته ای و دگرگون کردن بعضی از ذرات به ذرات دیگر شود .


نیروی ضعیف نامگذاریش به این علت است که بسیار ضعیف تر  از نیروی الکترومغناطیس و نیروی قوی است .

برای مثال یک برهم کنش شامل نیروی ضعیف()مرتبه احتمال رخ داد آن کمتر از واکنش شامل نیروی

الکترومغناطیسی است .                         


نیروی ضعیف تاثیر چشمگیری بر واکنشهای بین دو ذره ی بار دار ندارد ، همانند واکنش بین یک الکترون و

یک پروتون . نیروی الکترومغناطیس در این واکنش ها حکم فرماست .


زمانی که واکنش شامل نیروی الکترومغناطیس و نیروی قوی نباشد ،نیروی ضعیف قابل توجه و مهم میشود .

مثال:نوترینوها نه بارالکتریکی دارند و نه بار رنگی ، بنابراین تمامی واکنش های شامل نوترینوها باید به علت

یکی از دو نیروی ضعیف یا گرانش باشد .

نیروی گرانش در مقیاس ذرات بنیادی ضعیف تر از نیروی ضعیف است بنابراین نیروی ضعیف در واکنش

نوترینوها حکم فرماست .


یک مثال از واکنشهای ضعیف، واپاشی بتای شامل واپاشی نوترون است . 

زمانیکه یک نوترون واپاشیده میشود ، آن نوترون به یک پروتون تبدیل شده و یک الکترون و یک آنتی نوترینوی

الکترون گسیل میکند .

نوترون و آنتی نوترینو بی بار هستند، اینکه نیروی الکترومغناطیس باعث این واپاشی باشد غیر محتمل است .

آنتی نوترینو و الکترون بی رنگ هستند بنابراین نیروی قوی هم در میان نیست . واپاشی بتا تنها با نیروی ضعیف

توجیه شدنی است .

بوزون های W بار دارند (+1 و -1 ) ، بنابراین  آنها نیروی الکترومغناطیس را حس میکنند . این دو بوزون

پاد ذره ی نظیر هم هستند ، در حالی که  Z0  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 .


حاملین نیروی سنگین نمی توانند به اندازه ی حاملین نیروی بدون جرم مربوط به سه نیروی دوربرد دیگر

جابجا شوند بنابراین نیروی ضعیف در فاصله ی کوتاهتری نسبت به سه نیروی دیگر اثر می کند .


یک کوارک یا لپتون تنها بوسیله ی واکنش های ضعیف میتواندبه کوارک یا لپتونی از نسل دیگرتبدیل شود .


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 سنگین ترند.

این دو نسلبه همین سبب به وسیله بوزون های W و Z با سرعت به نسل اول خود که سبک تر هستند، یعنی

کوارک ها و لپتون ها پاشیده می شوند.


در داخل هسته سه کوارک، میدان وجود دارند که نیروی ضعیف را انتقال می‌دهند.

دو کوارک از این سه کوارک ، بار الکتریکی دارند. آنها را W- و W+ می‌نامند. سومین حامل نیرو ،0 Z خوانده می‌شود. 


وقتی که نیروی ضعیف یک ذره را مورد هدف خود قرار می دهد، آن ذره با کسیل یکی از سه بوزون

(   ، w ، - w+) به ذره دیگری تبدیل می شود.               


بنابراین نیروی ضعیف ممکن است هنگام واپاشی نوترون به پروتون ، بار یک ذره را تغییر دهد و یا ممکن است

در برهمکنش هایی شرکت کند که در آن تغییر بار روی نمی‌دهد.


هر سه عامل نیروی ضعیف ، ذرات سنگین هستند و جرم هر کدام تقریبا صد برابر جرم پروتون یا نوترون

است.


چگونه یک نوترون می‌تواند یک ذره مجازی W یا Z گسیل کند که بسیار سنگین تر از خودش است و حتی اگر

همان ذره را بعدا جذب کند؟ پاسخ در عدم فطعیت کوانتومی نهفته است.


نیروی هسته ای قوی در دو مقیاس کوچک و بزرگ بررسی می شود.

مقیاس بزرگ در حدود 1 تا 3 فمتو متر (fm) است. این مقیاس مربوط به نیرویی است که پروتون ها و نوترون

ها و در کل نوکلئون ها را در کنار یک دیگر نگاه می دارد.

مقیاس کوچکتر مربوط به ابعاد کمتر از 0.8 فمتو متر (یعنی کمتر از شعاع یک نوکلئون) است که کوارک ها را در

کنار هم نگاه می دارد تا پروتون ها و نوترون ها شکل بگیرند.


در داخل هسته سه کوارک میدان وجود دارند که نیروی ضعیف را انتقال می‌دهند. دو کوارک از این

سه کوارک ، بار الکتریکی دارند. آنها را W- و W+ می‌نامند.
 
سومین حامل نیرو ،0 Z خوانده می‌شود. بنابراین نیروی ضعیف ممکن است هنگام واپاشی نوترون به پروتون ،

بار یک ذره را تغییر دهد و یا ممکن است در برهم کنش هایی شرکت کند که در آن تغییر بار روی نمی‌دهد.

هر سه عامل نیروی ضعیف ، ذرات سنگین هستند و جرم هر کدام تقریبا صد برابر جرم پروتون یا نوترون

است. پس چگونه یک نوترون می‌تواند یک ذره مجازی W یا Z گسیل کند که بسیار سنگین تر از خودش است و

حتی اگر همان ذره را بعدا جذب کند؟ پاسخ در عدم قعطییت کوانتومی نهفته است.


نیرو ها در لحظات ابتدایی عالم یک نیروی واحد بودند . و تنها هنگامی که کیهان به دمای بحرانی


10 به توان 15درجه رسید (انهم در زمان 10 به توان منفی 12 ثانیه پس از بیگ بنگ } هویت مجزا و جدا گانه

یافتند .



در ذرات بنیادی سه خانواده اصلی وجود دارد:کوارک‌ها (Quark) لپتون‌ها (Lepton) واسطه‌ها (Preon).


هادرون ها ذراتی هستند که از ترکیب ذراتی مانند کوارک ها تولید می شوند.هادرون‌ها به دو دسته، باریون و

مزون تقسیم می‌شود.


برای توصیف ذرات بنیادی آنها را به صورت خاصی رده بندی می کنند که به آن مدل استاندارد می گویند.


همچنین در صورت پذیرفتن نظریه الکترو ضعیف به یک ذره هیگز نیازاست.در ضمن کشف تمام ذرات این

رده‌بندی با کشف اخیر بوزون هیگز خاتمه یافته است.


بر اساس مدل استاندارد، ماده از 62 ذره بنیادی تشکیل شده که این ذرات در سه دسته قرار می‌گیرند:

لپتون‌ها، کوارک‌ها، واسطه‌ها

























لپتون‌ها شامل سه نسل زیر هستند.هر نسل دارای یک ذره نوترینوی از آن نسل است.هر یک از نسل ها و ذره

آنها دارای یک پاد ذره است که در مجموع لپتون ها از 12 ذره تشگیل شده اند.


نسل اول :الکترون که دارای ذره ای بنام نوتوینوی الکترون است و هر کدام یک پاد ذره دارند.(4 ذره)


نسل دوم :موئون که دارای ذره ای بنام نوترینوی موئون است و هر کدام یک پاد ذره دارند. (4ذره)


نسل سوم:تاو که دارای ذره ای بنام نوترینوی تاو است و هر کدام یک پاد ذره دارند.(4 ذره)  




نوترینوها اغلب به صورت ذرات منفرد دیده نمی‌ شوند و در قالب الکترون نوترینو (2.2 eV) یا میون نوترینو

(170 KeV) و تاو نوترینو (15.5 MeV) دیده می‌شوند. هرچند دانشمندان هنوز یکی بودن پادنوترینو و نوترینو

را تایید نکرده‌اند، اما آزمایشات به روشنی این مطلب را اثبات می‌کنند. به همین دلیل در مدل استاندارد پاد این

ذرات نیز تعریف شده است.



نظریه پیمانه ای مدل استاندارد بر پایۀ تقارن موضعی گروه هایSU(3)C* SU(2)L *U(1)Y می باشد. C

نشان دهندۀ رنگ، L کایرالیتی چپگرد و Y فوق بار ضعیف است.



مدل استاندار برهم کنش های قوی، الکترومغناطیسی و ضعیف بنیادی را با بکارگیری نظریه میدان های

کوانتومی بیان می کند.



میانجی هابرای حمل نیروهای بنیادی طبیعت به ذرات میانجی که تعدادشان 12 ذره است نیاز دارندکه این

ذرات میانجی عبارتنداز:



برای نیروی الکترومغناطیس یک ذره(فوتون)


برای نیروی ضعیف سه ذره


برای نیروی قوی هشت ذره (گلوئون)

























در مجموع ۳۶ نوع کوارک وجود دارند.

نسل اول کوارک بالا:همان کوارک بالا (u)   دارای سه رنگ و سه پاد کوارکش ( 6 ذره )

نسل دوم کوارک بالا:کوارک شگفت(s) دارای سه رنگ و سه پادکوارکش ( 6 ذره )

نسل سوم کوارک بالا:کوارک سریا حقیقت(t) دارای سه رنگ و سه پادکوارکش( 6 ذره )

نسل اول کوارک پایین:همان کوارک پایین (d)  دارای سه رنگ و سه پادکوارکش( 6 ذره )

نسل دوم کوارک پایین:کوارک افسون(c) دارای سه رنگ و سه پادکوارکش ( 6 ذره )

نسل سوم کوارک پایین :کوارک ته یا زیبایی(b) ذارای سه رنگ و سه پادکوارکش  ( 6 ذره )


کوارک‌ها شش طعم دارند و هر طعم یک پاد کوارک دارد و هرکدام از آنهادر سه رنگ گوناگون هستند.



ذرات واسطه که حامل نیرو هستند از 14 ذره زیر تشکیل شده اند.

بوزون‌ هایی که بدون بار الکتریکی هستند را با Z و دسته‌ ای که نیرو های ضعیف هسته‌ای دارند با W نشان می‌

دهند. جرم بوزون‌های Z در حدود 91.1876 (GeV/C2) و نوع W آن 80.403 (GeV/C2) است. هردوی آن

ها دارای اسپین 1 هستند و واکنش آنها از نوع ضعیف است. این بوزون‌ ها از خانواده بوزون‌های شاخص هستند.


گلوئن :ذراتی بدون جرم و خنثی از خانواده بوزون‌ های شاخص و دارای اسپین 1 هستند. این ذرات زیراتمی

باعث پایدار بودن کوارک‌ ها در هسته اتم (پروتون‌ها و نوترون‌ها) در کنار هم می‌ شوند. البته جرم این ذرات

بسیار کم بوده و از آن صرف نظر می‌ شود.


گراویتون :ذراتی فرضی هستند که دارای جرم و بار صفر و اسپین ۲ می‌ باشند.
چنین ذراتی (بدون جرم) تا به

حالا دیده نشده‌اند.این ذرات بیشتر در تئوری‌ های کوانتومی به عنوان نتیجه‌ای از نسبیت مطرح می‌ شود.


ها درون ها: ذرات زیراتمی ای هستند که از فرمیون هایی چون کوارک و آنتی کوارک و بوزون هایی چون گلوئن

تشکیل شده اند.این ذرات نیروی قوی هسته ای اعمال می کنند. هادرون ها مانند دیگر ذرات دارای عدد

کوانتومی هستند. این ذرات ممکن است در دما یا فشار بسیار پایین خودبه خود از بین بروند.



در ژانویه ۲۰۱۳ فیزیکدانان ذرات، یک گاز کوانتومی بر پایه پتاسیم ساختند. این گاز هنگامی که تحت تأثیر

لیزر و میدان مغناطیسی قرار می‌گیرد به دما های  منفی می‌رسد. در این دمای ترمودینامیکی، ماده شروع به

بروز دادن خواص ناشناخته پیشین می‌کند.