La force faible est l'une des quatre forces fondamentales qui gouvernent toute matière dans l'univers. Les trois autres sont la gravité, l'électromagnétisme et la force forte. Alors que d'autres forces maintiennent les choses ensemble, une force faible joue un grand rôle dans leur destruction.
La force faible est plus forte que la gravité, mais elle n'est efficace qu'à de très petites distances. La Force opère au niveau subatomique et joue un rôle essentiel en fournissant de l'énergie aux étoiles et en créant les éléments. Il est également responsable de la majeure partie du rayonnement naturel de l'univers.
Théorie de Fermi
Le physicien italien Enrico Fermi a développé une théorie en 1933 pour expliquer la désintégration bêta, le processus de conversion d'un neutron en proton et d'expulsion d'un électron, souvent appelé dans ce contexte une particule bêta. Il a identifié un nouveau type de force, la soi-disant force faible, qui était responsable de la désintégration, le processus fondamental de la transformation d'un neutron en un proton, un neutrino et un électron, qui a ensuite été identifié comme un antineutrino.
Fermi à l'originesupposé qu'il y avait une distance et une adhérence nulles. Les deux particules devaient être en contact pour que la force agisse. Il a depuis été révélé que la force faible est en fait une force d'attraction qui se manifeste sur une distance extrêmement courte, égale à 0,1 % du diamètre d'un proton.
Force électrofaible
Dans les désintégrations radioactives, la force faible est environ 100 000 fois plus petite que la force électromagnétique. Cependant, on sait maintenant qu'il est intrinsèquement égal à l'électromagnétique, et ces deux phénomènes apparemment distincts sont considérés comme des manifestations d'une seule force électrofaible. Ceci est confirmé par le fait qu'ils se combinent à des énergies supérieures à 100 GeV.
On dit parfois que l'interaction faible se manifeste par la désintégration des molécules. Cependant, les forces intermoléculaires sont de nature électrostatique. Ils ont été découverts par van der Waals et portent son nom.
Modèle standard
L'interaction faible en physique fait partie du modèle standard - la théorie des particules élémentaires, qui décrit la structure fondamentale de la matière à l'aide d'un ensemble d'équations élégantes. Selon ce modèle, les particules élémentaires, c'est-à-dire celles qui ne peuvent pas être divisées en parties plus petites, sont les éléments constitutifs de l'univers.
L'une de ces particules est le quark. Les scientifiques ne supposent pas l'existence de quoi que ce soit de moins, mais ils cherchent toujours. Il existe 6 types ou variétés de quarks. Mettons les dans l'ordreaugmentation de masse:
- top;
- inférieur;
- bizarre;
- enchanté;
- adorable;
- vrai.
Dans diverses combinaisons, ils forment de nombreux types différents de particules subatomiques. Par exemple, les protons et les neutrons - grosses particules du noyau atomique - sont chacun constitués de trois quarks. Les deux premiers et le bas forment un proton. Celui du haut et les deux du bas forment un neutron. Changer le type de quark peut transformer un proton en neutron, transformant ainsi un élément en un autre.
Un autre type de particules élémentaires est un boson. Ces particules sont des vecteurs d'interaction constitués de faisceaux d'énergie. Les photons sont un type de boson, les gluons en sont un autre. Chacune de ces quatre forces est le résultat d'un échange de vecteurs d'interaction. L'interaction forte est réalisée par le gluon, et l'interaction électromagnétique par le photon. Le graviton est théoriquement porteur de la gravité, mais il n'a pas été trouvé.
Bosons W et Z
L'interaction faible est portée par les bosons W et Z. Ces particules ont été prédites par les lauréats du prix Nobel Steven Weinberg, Sheldon Salam et Abdus Gleshow dans les années 1960 et découvertes en 1983 à l'Organisation européenne pour la recherche nucléaire CERN.
Les bosons W sont chargés électriquement et sont désignés par les symboles W+ (chargé positivement) et W- (chargé négativement). Le boson W modifie la composition des particules. En émettant un boson W chargé électriquement, la force faible modifie le type de quark, en faisant un protonen un neutron ou vice versa. C'est ce qui provoque la fusion nucléaire et la combustion des étoiles.
Cette réaction crée des éléments plus lourds qui sont finalement projetés dans l'espace par des explosions de supernova pour devenir les éléments constitutifs des planètes, des plantes, des personnes et de tout le reste sur Terre.
Courant neutre
Z-boson est neutre et transporte un faible courant neutre. Son interaction avec les particules est difficile à détecter. Les recherches expérimentales sur les bosons W et Z dans les années 1960 ont conduit les scientifiques à une théorie qui combine les forces électromagnétiques et faibles en un seul "électrofaible". Cependant, la théorie exigeait que les particules porteuses soient en apesanteur, et les scientifiques savaient que théoriquement, le boson W devrait être lourd pour expliquer sa courte portée. Les théoriciens ont attribué la masse W à un mécanisme invisible appelé le mécanisme de Higgs, qui prévoit l'existence du boson de Higgs.
En 2012, le CERN a signalé que des scientifiques utilisant le plus grand accélérateur du monde, le Large Hadron Collider, avaient observé une nouvelle particule "correspondant au boson de Higgs".
Beta Decay
L'interaction faible se manifeste dans la désintégration β - le processus par lequel un proton se transforme en neutron et vice versa. Cela se produit lorsque, dans un noyau contenant trop de neutrons ou de protons, l'un d'eux est converti en un autre.
La désintégration bêta peut se produire de deux manières:
- Dans la désintégration bêta-moins, parfois écrit commeβ− -, le neutron se divise en un proton, un antineutrino et un électron.
- L'interaction faible se manifeste dans la désintégration des noyaux atomiques, parfois écrite sous la forme β+-decay, lorsqu'un proton se divise en un neutron, un neutrino et un positron.
L'un des éléments peut se transformer en un autre lorsqu'un de ses neutrons se transforme spontanément en proton par désintégration moins bêta, ou lorsqu'un de ses protons se transforme spontanément en neutron par β+-décroissance.
La double désintégration bêta se produit lorsque 2 protons du noyau sont simultanément transformés en 2 neutrons ou vice versa, entraînant l'émission de 2 électrons-antineutrinos et de 2 particules bêta. Dans une hypothétique double désintégration bêta sans neutrinos, les neutrinos ne sont pas produits.
Capture électronique
Un proton peut se transformer en neutron par un processus appelé capture d'électrons ou capture K. Lorsque le noyau a un nombre excessif de protons par rapport au nombre de neutrons, l'électron, en règle générale, de la couche électronique interne semble tomber dans le noyau. L'électron de l'orbite est capturé par le noyau parent dont les produits sont le noyau fille et le neutrino. Le numéro atomique du noyau fille résultant diminue de 1, mais le nombre total de protons et de neutrons reste le même.
Réaction de fusion
La force faible est impliquée dans la fusion nucléaire, la réaction qui alimente le soleil et les bombes à fusion (hydrogène).
La première étape de la fusion de l'hydrogène est la collision de deuxprotons avec une force suffisante pour surmonter la répulsion mutuelle qu'ils subissent en raison de leur interaction électromagnétique.
Si les deux particules sont placées à proximité l'une de l'autre, une forte interaction peut les lier. Cela crée une forme instable d'hélium (2He), qui a un noyau avec deux protons, par opposition à la forme stable (4He), qui a deux neutrons et deux protons.
La prochaine étape est l'interaction faible. En raison d'un excès de protons, l'un d'eux subit une désintégration bêta. Après cela, d'autres réactions, y compris la formation intermédiaire et la fusion 3He, forment finalement un stable 4He.
