6.18 Weak force

De deeltjesfysica kent naast zwaartekracht, elektromagnetische kracht, en de sterke kernkracht, ook de zwakke kernkracht; weak force of weak interaction. De vierde fundamentele natuurkracht. Deze kracht wordt toegeschreven aan de uitwisseling van W- en Z-bosonen. Het is de enige manier om energie, massa en lading uit te wisselen tussen leptonen en quarks. Hoe ziet die zwakke kernkracht eruit wanneer je naar relaties kijkt?

β¯-verval
Laten we als voorbeeld het β¯-verval bekijken. Dit gaat over de omzetting van een neutron naar een proton. De naam β¯-verval verwijst naar de emissie van bètastraling, elektronen. Bij de overgang van een neutron naar een proton ontstaat er heel even een W-boson, dat kort daarna vervalt in een elektron en een elektron-antineutrino.

bron: Wikipedia

Een W-boson heeft vergeleken met een neutron of een proton een zeer grote massa (macroscopisch begrip). Het is bijna 100x zwaarder. Waar komt die massa plotseling vandaan?

Weak force in termen van relatiefysica
Een foton (of algemeen: een verstrengeling) met voldoende energie kan een combinatie neutrino-antineutrino creëren. Kan het ook een W-boson creëren? Stel de verstrengeling die vrijkomt bij de overgang van down quark naar up quark creëert een neutrino en een antineutrino. Zo’n combinatie neutrino-antineutrino lijkt in termen van relatiefysica op een W-boson, in ons voorbeeld een W¯-boson. Dit W¯-boson kan vervolgens veranderen in een elektron en een antineutrino, waarbij energie vrijkomt. Het vrijkomen van energie is te verklaren doordat de nieuwe situatie met een proton, elektron en antineutrino minder complex is (in termen van deeltjesfysica: een kleine massa heeft) dan de oude situatie met het neutron.

β⁺-verval
De omgekeerde verandering van proton naar neutron bestaat ook. Dat heet β⁺-verval of positron emissie. Daar is echter toevoeging van energie voor nodig. Het verloopt via emissie van een W⁺-boson, of absorptie van een W¯-boson, dat vervolgens verandert in een positron en een elektron-neutrino.

bron: Wikipedia

Elektronenvangst
Een andere manier waarop een proton kan overgaan in een neutron is elektronenvangst. Hierbij wordt een elektron uit een (meestal de binnenste) schil van een atoom ‘gevangen’ in de atoomkern, namelijk als onderdeel van het nieuwgevormde neutron. Daarbij ontstaat tevens een neutrino. Ook hierbij speelt het W-boson een rol, als virtueel deeltje, waarbij type en lading niet vast te stellen is. In termen van relatiefysica is het overigens de vraag of het onderscheid tussen W¯ en W⁺, en ook of het om emissie of absorptie (met andere woorden materie of antimaterie van het W-boson) gaat relevant is. In de deeltjesfysica is dit wel van belang, namelijk voor de behoudswetten. Is het onderscheid W⁺ en W¯, en emissie of absorptie van het W-boson te meten? Of wordt het afgeleid aan de hand van de behoudswetten?

bron: Wikipedia

Samenvatting van de relatie interpretatie van β¯-verval: De verstrengeling die vrijkomt bij de overgang van down quark naar up quark vormt een neutrino en een antineutrino. Samen vormen deze twee (heel even) een (virtueel) W¯-boson, om vervolgens naar een elektron en een antineutrino te transformeren.