How big is Радіус дії слабкої взаємодії?

Слабка взаємодія — одна з чотирьох фундаментальних взаємодій природи, і вона діє лише на дуже малих відстанях. Радіус її дії, тобто відстань, на яку вона сягає, становить приблизно 10⁻¹⁸ метра, або 1 аттометр. Це менше ніж тисячна частка ширини протона.

Відстань

Аттометр — це 10⁻¹⁸ метра, мільярдна частка мільярдної частки метра. Запис 10⁻¹⁸ означає 1, поділену на одиницю, після якої стоїть 18 нулів. Радіус дії — це не межа, яку хтось виміряв приладом. Це оцінка, зроблена на підставі маси частинок, що переносять цю взаємодію.

Слабку взаємодію переносять частинки, які називають W- і Z-бозонами. Вони важкі: маса W-бозона приблизно в 86 разів більша за масу протона, а Z-бозона — приблизно в 97 разів. Квантова фізика дозволяє частинці, що переносить взаємодію, існувати лише коротку мить, і що важча частинка, то коротша ця мить.

Навіть рухаючись майже зі швидкістю світла, W-бозон за цей час може пройти лише приблизно 2 × 10⁻¹⁸ метра, як зазначено в підручнику University Physics Volume 3. ЦЕРН, Європейська лабораторія фізики частинок, округлює радіус дії до значення приблизно 10⁻¹⁸ метра. Він також додає, що за межами радіуса одного протона ця взаємодія зникає повністю.

Порівняння розмірів

Протон, що має в поперечнику приблизно 1,7 фемтометра (1,7 × 10⁻¹⁵ метра), приблизно в 1 700 разів ширший за радіус дії слабкої взаємодії.
Сильна взаємодія, що утримує кварки разом усередині протонів і нейтронів, діє на відстані приблизно 10⁻¹⁵ метра, тобто приблизно в 1 000 разів далі, ніж слабка.
Експерименти з’ясували, що кварк, якщо він узагалі має розмір, становить у поперечнику менше ніж приблизно 8,6 × 10⁻¹⁹ метра, а це трохи менше за радіус дії слабкої взаємодії.
Якби радіус дії слабкої взаємодії збільшили до ширини людської волосини, тобто приблизно 0,1 міліметра, протон мав би в поперечнику приблизно 17 сантиметрів, а атом водню — приблизно 11 кілометрів.

Що робить слабка взаємодія

Слабка взаємодія може перетворювати один вид кварка на інший. Саме так нейтрон перетворюється на протон у бета-розпаді — різновиді радіоактивного розпаду. Нейтрон випромінює W-бозон і стає протоном, а потім W-бозон перетворюється на електрон і антинейтрино.

Слабка взаємодія може й перетворити протон на нейтрон. Це відбувається на першому етапі ядерного синтезу, що дає енергію Сонцю. Два протони об’єднуються, і один із них стає нейтроном, а в результаті утворюється дейтерій — важка форма водню. Нейтрино відчувають лише слабку взаємодію та гравітацію, і більшість із них пролітає крізь цілу планету, а ніщо їх не зупиняє.

Попри назву, ця взаємодія значно сильніша за гравітацію. ЦЕРН пояснює, що за своєю суттю вона така сама сильна, як електромагнітна взаємодія, а слабкою здається тому, що важкі W- і Z-бозони обмежують її радіус дії.

Як знайшли W- і Z-бозони

Енріко Фермі висунув першу теорію слабкої взаємодії 1933 року. У 1960-х роках Шелдон Глешоу, Абдус Салам і Стівен Вайнберг припустили, що слабка й електромагнітна взаємодії — це дві форми єдиної електрослабкої взаємодії. Їхня теорія передбачила W- і Z-бозони, а разом із даними попередніх експериментів — і їхні маси.

Щоб отримати ці бозони, фізики ЦЕРНу перетворили найбільший прискорювач лабораторії на установку, що стикала протони з антипротонами. Експерименти UA1 і UA2 вперше спостерігали там обидві частинки 1983 року, і їхні маси збіглися з передбаченими. Карло Руббіа та Сімон ван дер Меер отримали Нобелівську премію з фізики 1984 року за це відкриття.