How big is Zasięg oddziaływania słabego?

Oddziaływanie słabe jest jednym z czterech oddziaływań podstawowych w przyrodzie i działa tylko na bardzo krótkich odległościach. Jego zasięg, czyli odległość, na jaką sięga, wynosi około 10⁻¹⁸ metra, czyli 1 attometr. To mniej niż tysięczna część szerokości protonu.

Odległość

Attometr to 10⁻¹⁸ metra, czyli miliardowa część miliardowej części metra. Zapis 10⁻¹⁸ oznacza 1 podzielone przez jedynkę z 18 zerami. Zasięg nie jest granicą, którą ktoś zmierzył przyrządem. To oszacowanie, wyznaczone na podstawie masy cząstek przenoszących to oddziaływanie.

Oddziaływanie słabe przenoszą cząstki zwane bozonami W i Z. Są ciężkie: bozon W ma masę około 86 razy większą niż proton, a bozon Z około 97 razy większą. Fizyka kwantowa pozwala cząstce przenoszącej oddziaływanie istnieć tylko przez krótką chwilę, a im cięższa cząstka, tym krótsza ta chwila.

Nawet poruszając się z prędkością bliską prędkości światła, bozon W może w tym czasie pokonać tylko około 2 × 10⁻¹⁸ metra, jak podaje podręcznik University Physics Volume 3. CERN, europejskie laboratorium fizyki cząstek, zaokrągla zasięg do około 10⁻¹⁸ metra. Dodaje też, że poza promieniem pojedynczego protonu oddziaływanie całkowicie zanika.

Porównania rozmiarów

Proton, który ma około 1,7 femtometra (1,7 × 10⁻¹⁵ metra) średnicy, jest około 1700 razy szerszy niż zasięg oddziaływania słabego.
Oddziaływanie silne, które utrzymuje kwarki razem wewnątrz protonów i neutronów, sięga na odległość około 10⁻¹⁵ metra, czyli mniej więcej 1000 razy dalej niż oddziaływanie słabe.
Eksperymenty ustaliły, że kwark, jeśli w ogóle ma jakikolwiek rozmiar, ma mniej niż około 8,6 × 10⁻¹⁹ metra średnicy, czyli nieco mniej niż zasięg oddziaływania słabego.
Gdyby zasięg oddziaływania słabego powiększyć do szerokości ludzkiego włosa, czyli około 0,1 milimetra, proton miałby około 17 centymetrów średnicy, a atom wodoru około 11 kilometrów średnicy.

Co robi oddziaływanie słabe

Oddziaływanie słabe może zamienić jeden rodzaj kwarka w inny. Tak neutron zamienia się w proton w rozpadzie beta, rodzaju rozpadu promieniotwórczego. Neutron emituje bozon W i staje się protonem, a bozon W zamienia się potem w elektron i antyneutrino.

Oddziaływanie słabe może też zamienić proton w neutron. Dzieje się tak w pierwszym etapie syntezy jądrowej, która zasila Słońce. Dwa protony łączą się i jeden z nich staje się neutronem. Powstaje deuter, ciężka postać wodoru. Neutrina odczuwają tylko oddziaływanie słabe i grawitację, a większość z nich przechodzi na wylot przez całą planetę, nie zatrzymując się.

Mimo że nazywa się je słabym, to oddziaływanie jest znacznie silniejsze niż grawitacja. CERN wyjaśnia, że jest ono w zasadzie tak samo silne jak oddziaływanie elektromagnetyczne, a wydaje się słabe, ponieważ ciężkie bozony W i Z ograniczają jego zasięg.

Odkrycie bozonów W i Z

Enrico Fermi przedstawił pierwszą teorię oddziaływania słabego w 1933 roku. W latach 60. XX wieku Sheldon Glashow, Abdus Salam i Steven Weinberg zaproponowali, że oddziaływanie słabe i elektromagnetyczne to dwie postaci jednego oddziaływania elektrosłabego. Ich teoria przewidziała istnienie bozonów W i Z, a w połączeniu z wcześniejszymi eksperymentami także masy tych bozonów.

Aby wytworzyć bozony, fizycy z CERN przekształcili największy akcelerator laboratorium w maszynę, w której zderzały się protony z antyprotonami. Eksperymenty UA1 i UA2 zaobserwowały tam oba rodzaje bozonów po raz pierwszy w 1983 roku, z przewidzianymi masami. Carlo Rubbia i Simon van der Meer otrzymali w 1984 roku Nagrodę Nobla z fizyki za to odkrycie.