How big is Nõrga vastastikmõju mõjuraadius?

Nõrk vastastikmõju on üks looduse neljast põhijõust ja see toimib ainult väga lühikestel vahemaadel. Selle mõjuraadius, kaugus, milleni see ulatub, on umbes 10⁻¹⁸ meetrit ehk 1 atomeeter. See on vähem kui tuhandik prootoni laiusest.

Kaugus

Atomeeter on 10⁻¹⁸ meetrit ehk meetri miljardiku miljardik. Märge 10⁻¹⁸ tähendab 1 jagatud arvuga, mis koosneb ühest ja sellele järgnevast 18 nullist. Mõjuraadius pole serv, mida keegi oleks mõõteriistaga mõõtnud. See on hinnang, mis on tuletatud jõudu vahendavate osakeste massist.

Nõrka vastastikmõju vahendavad osakesed, mida nimetatakse W- ja Z-bosoniteks. Need on rasked: W-bosoni mass on umbes 86 korda prootoni mass ja Z-bosoni oma umbes 97 korda. Kvantfüüsika lubab jõudu vahendaval osakesel eksisteerida vaid lühikest hetke ja mida raskem on osake, seda lühem on see hetk.

Isegi peaaegu valguse kiirusel liikudes läbib W-boson selle ajaga vaid umbes 2 × 10⁻¹⁸ meetrit, nagu öeldakse õpikus University Physics Volume 3. CERN, Euroopa osakestefüüsika uurimiskeskus, ümardab mõjuraadiuse umbes 10⁻¹⁸ meetrini. CERN lisab, et jõud kaob täielikult ühe prootoni raadiusest kaugemal.

Suuruste võrdlused

Prooton, mille läbimõõt on umbes 1,7 femtomeetrit (1,7 × 10⁻¹⁵ meetrit), on umbes 1 700 korda laiem kui nõrga vastastikmõju mõjuraadius.
Tugev vastastikmõju, mis hoiab kvarke koos prootonite ja neutronite sees, ulatub umbes 10⁻¹⁵ meetrini, umbes 1 000 korda kaugemale kui nõrk vastastikmõju.
Katsetega on leitud, et kvargi läbimõõt – kui sellel üldse mingi suurus on – on väiksem kui umbes 8,6 × 10⁻¹⁹ meetrit, veidi vähem kui nõrga vastastikmõju mõjuraadius.
Kui nõrga vastastikmõju mõjuraadius oleks suurendatud inimese juuksekarva laiuseks, umbes 0,1 millimeetrit, oleks prooton umbes 17 sentimeetrit lai ja vesiniku aatom umbes 11 kilomeetrit lai.

Mida nõrk vastastikmõju teeb

Nõrk vastastikmõju võib muuta ühe kvargiliigi teiseks. Nii muutub neutron prootoniks beetalagunemisel, mis on üks radioaktiivse lagunemise liike. Neutron kiirgab välja W-bosoni ja muutub prootoniks, seejärel muutub W-boson elektroniks ja antineutriinoks.

Nõrk vastastikmõju võib muuta ka prootoni neutroniks. See toimub Päikesele energiat andva tuumasünteesi esimeses etapis. Kaks prootonit ühinevad ja üks neist muutub neutroniks, mille tulemusena tekib deuteerium, vesiniku raske vorm. Neutriinod tunnevad vaid nõrka vastastikmõju ja gravitatsiooni ning enamik neist läbib terve planeedi ilma peatumata.

Kuigi seda nimetatakse nõrgaks, on see jõud gravitatsioonist palju tugevam. CERN selgitab, et sisuliselt on see sama tugev kui elektromagnetiline vastastikmõju ning tundub nõrk seepärast, et rasked W- ja Z-bosonid piiravad selle ulatust.

W- ja Z-bosonite leidmine

Enrico Fermi esitas nõrga vastastikmõju esimese teooria 1933. aastal. 1960. aastatel pakkusid Sheldon Glashow, Abdus Salam ja Steven Weinberg, et nõrk ja elektromagnetiline vastastikmõju on ühe ja sama elektronõrga vastastikmõju kaks vormi. Nende teooria ennustas W- ja Z-bosoneid ning koos varasemate katsetega ka nende masse.

Bosonite tekitamiseks muutsid CERNi füüsikud labori suurima kiirendi masinaks, mis põrgatas prootoneid antiprootonitega kokku. UA1 ja UA2 katsed täheldasid seal mõlemat osakest esimest korda 1983. aastal ning nende massid olid ennustatud suurusega. Carlo Rubbia ja Simon van der Meer said selle avastuse eest 1984. aasta Nobeli füüsikaauhinna.