How big is Den svaga kraftens räckvidd?

Den svaga kraften är en av naturens fyra grundläggande krafter, och den verkar bara över mycket korta avstånd. Dess räckvidd, det avstånd den kan nå, är cirka 10⁻¹⁸ meter, eller 1 attometer. Det är mindre än en tusendel av bredden hos en proton.

Avstånd

En attometer är 10⁻¹⁸ meter, en miljarddel av en miljarddel av en meter. Skrivsättet 10⁻¹⁸ betyder 1 delat med en etta följd av 18 nollor. Räckvidden är ingen kant som någon har mätt med ett instrument. Det är en uppskattning som har räknats fram utifrån massan hos de partiklar som förmedlar kraften.

Den svaga kraften förmedlas av partiklar som kallas W- och Z-bosoner. De är tunga: en W-boson har cirka 86 gånger så stor massa som en proton, och en Z-boson cirka 97 gånger. Kvantfysiken tillåter att en kraftförmedlande partikel bara existerar en kort stund, och ju tyngre partikeln är, desto kortare är stunden.

Även när en W-boson rör sig med nästan ljusets hastighet kan den under den tiden bara tillryggalägga cirka 2 × 10⁻¹⁸ meter, enligt läroboken University Physics Volume 3. CERN, det europeiska partikelfysiklaboratoriet, avrundar räckvidden till cirka 10⁻¹⁸ meter. CERN tillägger att kraften försvinner helt utanför radien hos en enda proton.

Storleksjämförelser

En proton, cirka 1,7 femtometer (1,7 × 10⁻¹⁵ meter) i diameter, är ungefär 1 700 gånger så bred som den svaga kraftens räckvidd.
Den starka kraften, som håller ihop kvarkar inuti protoner och neutroner, når cirka 10⁻¹⁵ meter, ungefär 1 000 gånger så långt som den svaga kraften.
Experiment har funnit att en kvark, om den över huvud taget har någon storlek, är mindre än ungefär 8,6 × 10⁻¹⁹ meter i diameter, något mindre än den svaga kraftens räckvidd.
Om den svaga kraftens räckvidd förstorades till bredden av ett människohår, cirka 0,1 millimeter, skulle en proton vara cirka 17 centimeter i diameter och en väteatom cirka 11 kilometer i diameter.

Vad den svaga kraften gör

Den svaga kraften kan förvandla en sorts kvark till en annan. Så förvandlas en neutron till en proton vid betasönderfall, en sorts radioaktivt sönderfall. Neutronen avger en W-boson och blir en proton, och W-bosonen förvandlas sedan till en elektron och en antineutrino.

Den svaga kraften kan också förvandla en proton till en neutron. Det sker i det första steget av den kärnfusion som driver solen. Två protoner förenas, och en av dem blir en neutron, så att deuterium bildas, en tung form av väte. Neutriner påverkas bara av den svaga kraften och gravitationen, och de flesta passerar genom en hel planet utan att stoppas.

Trots att den kallas svag är den här kraften mycket starkare än gravitationen. CERN förklarar att kraften i grunden är lika stark som den elektromagnetiska kraften och verkar svag eftersom de tunga W- och Z-bosonerna begränsar kraftens räckvidd.

Att hitta W- och Z-bosonerna

Enrico Fermi lade fram den första teorin om den svaga kraften år 1933. På 1960-talet föreslog Sheldon Glashow, Abdus Salam och Steven Weinberg att den svaga och den elektromagnetiska kraften är två former av en enda elektrosvag kraft. Deras teori förutsade W- och Z-bosonerna och, i kombination med tidigare experiment, bosonernas massor.

För att framställa bosonerna byggde fysiker vid CERN om laboratoriets största accelerator till en maskin som lät protoner kollidera med antiprotoner. Experimenten UA1 och UA2 observerade där båda partiklarna för första gången år 1983, med de förutsagda massorna. Carlo Rubbia och Simon van der Meer fick nobelpriset i fysik 1984 för upptäckten.