How big is Bereik van de zwakke kracht?

De zwakke kracht is een van de vier fundamentele natuurkrachten en werkt alleen over zeer korte afstanden. Het bereik ervan, de afstand tot waar de kracht reikt, is ongeveer 10⁻¹⁸ meter, oftewel 1 attometer. Dat is minder dan een duizendste van de breedte van een proton.

Afstand

Een attometer is 10⁻¹⁸ meter, een miljardste van een miljardste van een meter. De notatie 10⁻¹⁸ betekent 1 gedeeld door een 1 gevolgd door 18 nullen. Het bereik is geen grens die iemand met een instrument heeft gemeten. Het is een schatting, afgeleid uit de massa van de deeltjes die de kracht overbrengen.

De zwakke kracht wordt overgebracht door deeltjes die de W- en Z-bosonen worden genoemd. Ze zijn zwaar: een W-boson heeft ongeveer 86 keer de massa van een proton, en een Z-boson ongeveer 97 keer. Volgens de kwantumfysica kan een deeltje dat een kracht overbrengt maar heel even bestaan, en hoe zwaarder het deeltje is, hoe korter dat moment duurt.

Zelfs als een W-boson met bijna de lichtsnelheid beweegt, kan het in die tijd maar ongeveer 2 × 10⁻¹⁸ meter afleggen, volgens het leerboek University Physics Volume 3. CERN, het Europese laboratorium voor deeltjesfysica, rondt het bereik af op ongeveer 10⁻¹⁸ meter. CERN voegt eraan toe dat de kracht helemaal verdwijnt voorbij de straal van één proton.

Groottevergelijkingen

Een proton, ongeveer 1,7 femtometer (1,7 × 10⁻¹⁵ meter) breed, is ongeveer 1.700 keer zo breed als het bereik van de zwakke kracht.
De sterke kracht, die quarks in protonen en neutronen bijeenhoudt, reikt ongeveer 10⁻¹⁵ meter, ongeveer 1.000 keer zo ver als de zwakke kracht.
Experimenten hebben vastgesteld dat een quark, als hij al een grootte heeft, minder dan ongeveer 8,6 × 10⁻¹⁹ meter breed is, iets minder dan het bereik van de zwakke kracht.
Als het bereik van de zwakke kracht werd vergroot tot de breedte van een mensenhaar, ongeveer 0,1 millimeter, zou een proton ongeveer 17 centimeter breed zijn en een waterstofatoom ongeveer 11 kilometer breed.

Wat de zwakke kracht doet

De zwakke kracht kan een soort quark in een andere veranderen. Zo verandert een neutron bij bètaverval, een soort radioactief verval, in een proton. Het neutron zendt een W-boson uit en wordt een proton, en het W-boson verandert daarna in een elektron en een antineutrino.

De zwakke kracht kan ook een proton in een neutron veranderen. Dat gebeurt in de eerste stap van de kernfusie die de Zon van energie voorziet. Twee protonen smelten samen en een van de twee wordt een neutron, waardoor deuterium ontstaat, een zware vorm van waterstof. Neutrino's voelen alleen de zwakke kracht en de zwaartekracht, en de meeste gaan dwars door een hele planeet zonder te worden tegengehouden.

Hoewel deze kracht zwak heet, is ze veel sterker dan de zwaartekracht. CERN legt uit dat deze kracht in wezen even sterk is als de elektromagnetische kracht en zwak lijkt doordat de zware W- en Z-bosonen haar bereik beperken.

Het vinden van de W- en Z-bosonen

Enrico Fermi kwam in 1933 met de eerste theorie over de zwakke kracht. In de jaren zestig stelden Sheldon Glashow, Abdus Salam en Steven Weinberg voor dat de zwakke en de elektromagnetische kracht twee vormen zijn van één elektrozwakke kracht. Hun theorie voorspelde de W- en Z-bosonen en, in combinatie met eerdere experimenten, hun massa's.

Om de bosonen te maken, bouwden natuurkundigen bij CERN de grootste versneller van het laboratorium om tot een machine die protonen met antiprotonen liet botsen. De experimenten UA1 en UA2 namen daar in 1983 voor het eerst beide deeltjes waar, met de voorspelde massa's. Carlo Rubbia en Simon van der Meer ontvingen voor de ontdekking de Nobelprijs voor de Natuurkunde van 1984.