מה הגודל של טווח ההשפעה של הכוח החלש?
1 אטומטר!
הכוח החלש הוא אחד מארבעת הכוחות היסודיים בטבע, והוא פועל רק על פני מרחקים קצרים מאוד. טווחו, המרחק שהוא יכול להגיע אליו, הוא כ-10−18 מטרים, או 1 אטומטר. זה פחות מאלפית מרוחבו של פרוטון.
מרחק
אטומטר הוא 10−18 מטרים, מיליארדית ממיליארדית המטר. הסימון 10−18 פירושו 1 חלקי 1 ואחריו 18 אפסים. הטווח אינו קצה שמישהו מדד במכשיר. זוהי הערכה, שחושבה על סמך מסת החלקיקים הנושאים את הכוח.
הכוח החלש נישא בידי חלקיקים הנקראים בוזוני W ו-Z. הם כבדים: מסתו של בוזון W גדולה בערך פי 86 ממסתו של פרוטון, ומסתו של בוזון Z גדולה בערך פי 97. הפיזיקה הקוונטית מאפשרת לחלקיק הנושא כוח להתקיים רק לרגע קצר, וככל שהחלקיק כבד יותר, הרגע קצר יותר.
גם כשהוא נע כמעט במהירות האור, בוזון W יכול לעבור בזמן הזה רק כ-2 × 10−18 מטרים, לפי ספר הלימוד University Physics Volume 3. CERN, המעבדה האירופית לפיזיקת חלקיקים, מעגלת את הטווח לכ-10−18 מטרים. היא מוסיפה שמעבר לרדיוס של פרוטון בודד הכוח נעלם לגמרי.
השוואות גודל
- פרוטון, שרוחבו כ-1.7 פמטומטרים (1.7 × 10−15 מטרים), רחב בערך פי 1,700 מטווח הכוח החלש.
- הכוח החזק, הקושר קווארקים זה לזה בתוך פרוטונים ונייטרונים, מגיע לכ-10−15 מטרים, כלומר רחוק בערך פי 1,000 מהכוח החלש.
- הניסויים מצאו שקווארק, אם יש לו גודל כלשהו, רחב פחות מכ-8.6 × 10−19 מטרים, מעט פחות מטווח הכוח החלש.
- אילו טווח הכוח החלש הוגדל לרוחבה של שערת אדם, כ-0.1 מילימטרים, פרוטון היה ברוחב של כ-17 סנטימטרים, ואטום מימן היה ברוחב של כ-11 קילומטרים.
מה עושה הכוח החלש
הכוח החלש יכול להפוך סוג אחד של קווארק לאחר. כך הופך נייטרון לפרוטון בדעיכת בטא, סוג של דעיכה רדיואקטיבית. הנייטרון פולט בוזון W והופך לפרוטון, ואז הבוזון הופך לאלקטרון ולאנטי-נייטרינו.
הכוח החלש יכול גם להפוך פרוטון לנייטרון. זה קורה בשלב הראשון של ההיתוך הגרעיני המפעיל את השמש. שני פרוטונים מתחברים, ואחד מהם הופך לנייטרון, וכך נוצר דאוטריום, צורה כבדה של מימן. נייטרינים חשים רק את הכוח החלש ואת הכבידה, ורובם עוברים דרך כוכב לכת שלם בלי להיעצר.
אף שהוא נקרא חלש, הכוח הזה חזק בהרבה מהכבידה. CERN מסבירה שהוא למעשה חזק כמו הכוח האלקטרומגנטי, ונראה חלש משום שבוזוני W ו-Z הכבדים מגבילים את טווחו.
גילוי בוזוני W ו-Z
אנריקו פרמי הציע את התיאוריה הראשונה של הכוח החלש ב-1933. בשנות ה-60 הציעו שלדון גלאשו, עבדוס סלאם וסטיבן ויינברג שהכוח החלש והכוח האלקטרומגנטי הם שתי צורות של כוח אלקטרו-חלש יחיד. התיאוריה שלהם חזתה את בוזוני W ו-Z, ובשילוב עם ניסויים קודמים גם את מסותיהם.
כדי ליצור את הבוזונים, הפכו פיזיקאים ב-CERN את המאיץ הגדול ביותר של המעבדה למכונה שהתנגשו בה פרוטונים באנטי-פרוטונים. ניסויי UA1 ו-UA2 צפו שם בשני החלקיקים לראשונה ב-1983, במסות החזויות. קרלו רוביה וסימון ואן דר מיר זכו בפרס נובל לפיזיקה לשנת 1984 על הגילוי.
מקורות
- The Z boson. CERN.
- The Standard Model. CERN.
- The Standard Model. In University Physics Volume 3. OpenStax, 2016.
- Introduction to Particle Physics. In University Physics Volume 3. OpenStax, 2016.
- The Four Basic Forces. In College Physics, 2nd edition. OpenStax, 2022.
- Mass, Energy, and the Theory of Relativity. In Astronomy, 2nd edition. OpenStax, 2022.
- Summary Tables: Gauge and Higgs Bosons. Particle Data Group, 2025.
- Limits on the effective quark radius from inclusive ep scattering at HERA. H. Abramowicz et al. (ZEUS Collaboration), Physics Letters B, 2016.
- SI prefixes. International Bureau of Weights and Measures.
- Proton rms charge radius. NIST CODATA, 2022.
- Proton mass energy equivalent in MeV. NIST CODATA, 2022.
- Bohr radius. NIST CODATA, 2022.
- Just How Small Is "Nano"?. National Nanotechnology Initiative.