Strona głównaPytania → Kto odpowiada za przemianę beta?

Kto odpowiada za przemianę beta?

Pytanie

Pyta Piotr

Jeżeli oddziaływanie zdefiniowane jest jako działanie jednego obiektu na drugi to jak rozumieć stwierdzenie, że oddziaływanie słabe jest odpowiedzialne za rozpad beta?

Odpowiedź

Odpowiada prof. Marek Pfutzner

W języku potocznym o oddziaływaniu mówimy wtedy, gdy ciała (dwa lub więcej), wywierają na siebie wzajemny wpływ. W prostym przypadku, obecność jednego obiektu wpływa na zachowanie jakiegoś drugiego obiektu i vice versa. Takie rozumienie oddziaływania stosuje się też w fizyce. Oddziaływanie przejawia się jako siła, z jaką jeden obiekt działa na drugi. Na przykład tor sondy kosmicznej przelatującej w pobliżu Księżyca ulega zakrzywieniu w wyniku siły grawitacyjnej, jaką Księżyc wywiera na sondę. Siła przyciągania Słońca stale zakrzywia tor ruchu Ziemi, czego skutkiem jest roczny obieg naszej planety po okołosłonecznej elipsie. Jabłko przyciągane przez Ziemię spada na nią. Te trzy przykłady ilustrują obecność oddziaływań grawitacyjnych. Ale dlaczego jabłko leżące na ziemi nie porusza się, mimo, że siła grawitacyjna ciągle na nie działa? Dalszemu ruchowi jabłka przeciwstawia się inna siła, odpychanie między molekułami na powierzchni jabłka i ziemi. Jest to siła innej natury, jej źródłem są tzw. oddziaływania elektromagnetyczne, które występują między cząstkami obdarzonymi ładunkiem elektrycznym. Dzięki tym oddziaływaniom istnieją atomy, w których ujemnie naładowane elektrony krążą wokół dodatnio naładowanego jądra atomowego. Współczesny i głęboki opis zjawisk, jakie mogą zachodzić między oddziałującymi cząstkami, przynosi teoria kwantów, a dokładniej tzw. kwantowa teoria pola. W teorii tej skutkiem oddziaływań może być nie tylko zmiana ruchu cząstek, które wywierają na siebie wpływ, jak w przykładach opisanych wcześniej, ale także przemiany jednych cząstek w inne, a nawet powstawanie cząstek. W takim właśnie rozumieniu mówimy, że oddziaływania słabe są odpowiedzialne za przemianę beta (mówi się czasem o rozpadach beta, ale określenie przemiana jest właściwsze, bo w istocie żaden obiekt nie ulega tu rozpadowi!) Przemiana ta jest skutkiem oddziaływań słabych, gdyby nie one, nie mogłaby zachodzić.

Dodatkowe wyjaśnienie: Możemy omówić to zagadnienie nieco dokładniej. Wyróżniamy cztery rodzaje tzw. oddziaływań podstawowych. Są to oddziaływania grawitacyjne, elektromagnetyczne, silne i słabe. W ramach tzw. kwantowej teorii pola udało się zrozumieć te trzy ostatnie. Fizycy wierzą, że również oddziaływania grawitacyjne uda się kiedyś włączyć do tej kwantowej rodziny, ale ciągle jeszcze to się nie udaje. W teorii kwantowej podstawowymi obiektami są stany pól kwantowych reprezentujące cząstki elementarne, a oddziaływanie między nimi polega na wymianie innych cząstek, tzw. bozonów pośredniczących, czyli nośników tych oddziaływań. Wpływ jednego obiektu na drugi odbywa się zatem poprzez wymianę cząstek nośników.

Można to zilustrować na przykładzie oddziaływania elektromagnetycznego. Odbywa się ono poprzez wymianę fotonów, które są kwantami pola elektromagnetycznego i zarazem jego nośnikami. Na przykład, tor ruchu elektronu poruszającego się w pobliżu protonu (jądra wodoru) ulega zmianie wskutek wymiany fotonów. Ściślej, wymiana ta zachodzi między składnikami protonu, kwarkami u (ładunek +2/3) i d (ładunek -1/3), a elektronem (ładunek -1). Czyli na poziomie podstawowym kwark wpływa na elektron poprzez wzajemną wymianę fotonów. Schematycznie możemy to przedstawić w postaci diagramu:

Oddziaływanie słabe zachodzi w analogiczny sposób ? obiekty, które mu podlegają, czyli kwarki i leptony (do tych ostatnich należą m.in. elektron i neutrino elektronowe), wymieniają między sobą tzw. bozony WZ. Na przykład neutrino elektronowe przelatujące przez materię może oddziaływać z kwarkiem d poprzez wymianę bozonu Z, co zmieni kierunek ruchu tego neutrina (rozpraszanie elastyczne). Jeśli jednak wymienionym nośnikiem w takim akcie oddziaływania będzie bozon W, to stanie się coś innego. Gdy bozon W pośredniczy w oddziaływaniu między kwarkiem d a neutrinem, to kwark d zamienia się w kwark u, a z neutrina elektronowego powstaje elektron. Jeśli początkowy kwark d był składnikiem neutronu (o składzie kwarkowym udd), to w wyniku takiego oddziaływania powstanie proton (skład kwarkowy uud) i elektron. Reakcję tę możemy zapisać następująco:. Możemy powiedzieć, że pośrednicząca cząstka W przenosi wpływ jednego obiektu, którym jest pole kwantowe reprezentujące kwark (jego stan zmienia się z d na u), na drugi obiekt, jakim jest pole reprezentujące lepton (którego stan zmienia się z neutrina na elektron). Obrazuje to diagram:

Widzimy na tym przykładzie, że skutkiem oddziaływania słabego jest nie tylko zmiana ruchu, ale także zmiana tożsamości cząstek! Z formalnego punktu widzenia, w bardzo podobny sposób tłumaczymy przemianę beta neutronu w proton. Przemianę beta neutronu zapisujemy bowiem jako:. Zamiast padającego neutrina mamy tu wybiegające antyneutrino, ale istota oddziaływania jest ta sama: pole reprezentujące kwark (d/u) wymienia cząstkę pośredniczącą (W) z polem reprezentującym lepton (elektron/neutrino). Podobieństwo obydwu procesów jest widoczne, gdy narysujemy diagram ilustrujący przemianę beta neutronu:

W tym przypadku skutkiem oddziaływania jest zmiana tożsamości jednej cząstki i powstanie dwóch cząstek!

Przedstawiliśmy tu jakościowy opis oddziaływań, bardzo uproszczony i dosyć abstrakcyjny. Należy więc podkreślić, że szczegółowe, liczbowe przewidywania kwantowej teorii pola są w znakomitej zgodności z wynikami wszystkich eksperymentów jakie dotychczas wykonano.

Warto też dodać, że wspomniana analogia między oddziaływaniem elektromagnetycznym a oddziaływaniem słabym jest znacznie głębsza. Obie klasy zjawisk mogą być przedstawione jako różne przejawy jednego oddziaływania elektrosłabego. Unifikacja obu oddziaływań ma podobny charakter jak połączenie zjawisk elektrycznych i magnetycznych, które obecnie rozumiemy jako różne przejawy jednego, podstawowego oddziaływania elektromagnetycznego.