التفاعل الكهروضعيف في فيزياء الكم

القوة الكهربية الضعيفة هي أحد الأهداف الرئيسية لعلم الجسيمات الأولية، وهو إظهار أنه على الرغم من أن الجسيمات قد تتفاعل بطرق مختلفة إلى حد ما، إلا أنها تخضع في النهاية لسيطرة نفس المبادئ التوجيهية.

التفاعل الكهروضعيف في فيزياء الكم

التفاعل الكهروضعيف، في الفيزياء، هو النظرية التي تصف كلا من القوة الكهرومغناطيسية وقوة ضعيفة، ظاهريًا تبدو هذه القوى مختلفة تمامًا، حيث تعمل القوة الضعيفة فقط عبر مسافات أصغر من النواة الذرية، بينما يمكن للقوة الكهرومغناطيسية أن تمتد لمسافات كبيرة، كما لوحظ في ضوء النجوم التي تصل عبر مجرات بأكملها، وتضعف فقط مع مربع المسافة.

علاوة على ذلك، مقارنة قوة هذين التفاعلات الأساسية بين بروتونين، على سبيل المثال تكشف أن القوة الضعيفة أضعف بحوالي 10 ملايين مرة من القوة الكهرومغناطيسية، ومع ذلك كان أحد الاكتشافات الرئيسية في القرن العشرين هو أن هاتين القوتين هما وجهان مختلفان لقوة كهروضعيفة واحدة أكثر جوهرية.

ونشأت نظرية الكهروضعيف بشكل أساسي من محاولات إنتاج الاتساق الذاتي بنظرية قياس القوة الضعيفة، على غرار الديناميكا الكهربائية الكمية (QED)، النظرية الحديثة الناجحة للقوة الكهرومغناطيسية التي تطورت خلال الأربعينيات.

هناك نوعان من المتطلبات الأساسية لنظرية قياس القوة الضعيفة:

1- يجب أن يُظهر تناظرًا رياضيًا أساسيًا، يسمى مقياس الثبات، بحيث تكون تأثيرات القوة هي نفسها في نقاط مختلفة في المكان والزمان.

2- يجب أن تكون النظرية قابلة لإعادة التنظيم ؛ على سبيل المثال، يجب ألا تحتوي على كميات غير محدودة غير مادية.

بناء نظرية قياس ثابتة للقوة الضعيفة

خلال الستينيات اكتشف العالمان شيلدون وستيفن بشكل مستقل أنه يمكنهم بناء نظرية قياس ثابتة للقوة الضعيفة، بشرط أن تشمل أيضًا القوة الكهرومغناطيسية، وتتطلب نظريتهم وجود أربعة “مرسال” أو جسيمات حاملة عديمة الكتلة، اثنتان مشحونة كهربائيًا واثنتان محايدتان، للتوسط في التفاعل الكهروضعيف الموحد.

يشير المدى القصير للقوة الضعيفة، مع ذلك، إلى أنها تحملها جسيمات ضخمة، وهذا يعني أن التناظر الأساسي للنظرية مخفي أو “مكسور” بواسطة آلية معينة تعطي كتلة للجسيمات المتبادلة في تفاعلات ضعيفة ولكن ليس للفوتونات المتبادلة في التفاعلات الكهرومغناطيسية، وتتضمن الآلية المفترضة تفاعلًا إضافيًا مع مجال غير مرئي بخلاف ذلك، يسمى مجال هيغز، الذي يسود كل الفضاء.

خصائص التفاعل الكهروضعيف

• يمكن أن يؤدي التفاعل الضعيف إلى تغيير نكهات الكوارك، على سبيل المثال، يحول اضمحلال بيتا للنيوترون الكوارك السفلي إلى كوارك علوي، من ناحية أخرى، فإن التفاعل الضعيف هو “عمى الألوان”، أي أنه غير حساس لألوان الكوارك.

• التفاعل الضعيف ليس متماثلًا بين اليسار واليمين، بعبارة أخرى، تبدو القوانين الفيزيائية التي تحكم التفاعل الضعيف مختلفة عند رؤيتها في المرآة.

• يكون التفاعل الضعيف غير متماثل إلى حد ما مع تبادل الجسيمات والجسيمات المضادة في مواقف معينة.

• التفاعل الضعيف النموذجي هو تحلل النيوترون إلى بروتون وإلكترون ومضاد نيوترينو، وهذا الاضمحلال ممكن من حيث الطاقة لأن النيوترون أكبر بقليل من كتلة البروتون وموضح في اللوحة اليسرى من الشكل، ولاحظ أن هذا الرقم مرسوم كما لو أن نيوترينو يتحرك إلى الوراء في الزمن يمتص جسيم W، مع خروج إلكترون ناتج من التفاعل للأمام في الوقت المناسب.

• ومع ذلك، من المعلوم أن هذا يعادل إلكترونًا ومضاد نيوترينو كلاهما يخرجان من التفاعل للأمام في الوقت المناسب وفقًا لتفسير فاينمان لحالات الطاقة السلبية، ويُطلق على التفاعل الضعيف اسم “الضعيف” لأنه يبدو كذلك في العمليات التي يتم ملاحظتها بشكل شائع، على سبيل المثال، مدى الإلكترون النسبي في المادة العادية هو من سنتيمترات إلى أمتار.

• وذلك لأن القوة الكهرومغناطيسية بين شحنة الإلكترون والشحنات الموجودة على النوى الذرية قوية بما يكفي لتسبب بسرعة تبديد طاقة الإلكترون، ومع ذلك، فإن المدى في مسألة النيوترينو الناتج عن اضمحلال بيتا أكبر بكثير من نطاق الإلكترون، وهذا  لأن القوة الضعيفة ليس في جوهرها.

تطبيقات التفاعل الكهروضعيف

الكوارك

القوة الكهربية الضعيفة، هي أحد الأهداف الرئيسية لعلم الجسيمات الأولية، وهو إظهار أنه على الرغم من أن الجسيمات قد تتفاعل بطرق مختلفة إلى حد ما، إلا أنها تخضع في النهاية لسيطرة نفس المبادئ التوجيهية؛ عندما تم اكتشاف الجسيمات الأولى، تم تصنيف القوى المؤثرة عليها في النهاية على أنها كهرومغناطيسية ونووية ضعيفة ونووية قوية.

ومع مرور الوقت، أدرك العلماء أن القوى النووية الكهرومغناطيسية والقوى النووية الضعيفة كانت في الحقيقة نفس القوة. تشرح القوة الكهروضعيفة بشكل كامل التفاعلات (جيدًا جدًا) لجميع اللبتونات المعروفة في مقاييس الطاقة التي يمكن تحقيقها حتى الآن.

من الصعب اكتشاف ذلك عند الطاقات الصغيرة، ولكن نظرًا لأن المسرعات سمحت للعلماء باستخدام تفاعلات أكثر نشاطًا، أصبح الدليل واضحًا على أن القوى ستوحد بطاقة أكبر، ومن ناحية أخرى، نشأت صعوبة في أن البوزونات المقاسة أو القوة الحاملة لجسيمات القوة النووية الضعيفة لها كتل كبيرة.

القوة الحاملة لجسيم القوة الكهرومغناطيسية هي الفوتون عديم الكتلة.، ونظرًا لأنه عديم الكتلة، يمكن أن تتفاعل شحنتان كهربائيتان مكشوفتان على مسافة لا نهائية، إذا كانت الشحنة الوحيدة الموجودة حولها، ويمكن للقوة النووية الضعيفة أن تعمل فقط على مسافة في حدود مقدار الحجم النووي.

كيف تنشأ القوة الكهروضعيفة

تنشأ كل من القوة الكهرومغناطيسية والقوة الضعيفة من نظريات القياس، وهذا يعني أن الجسيمات هي “تمثيلات لمجموعة” أو أنها تحدد بنية رياضية تتفاعل عناصرها بطريقة محددة تحكمها تحولات المجموعات، وعندما يتم الجمع بين مجموعتين مختلفتين معًا، فإنها لا تشكل دائمًا مجموعة مركبة، ولحسن الحظ فإنهم يفعلون ذلك في حالة كهرو ضعيف.

واحدة من الظواهر المثيرة للاهتمام حول هذه القوة هي انتهاك CP، وهذا هو أحد تناظرات الزمكان التي يتم انتهاكها في الطاقات التي تم رؤيتها في المختبر وقد تمت ملاحظتها تجريبياً ولكن من المفترض أن يتم استعادتها عند الحصول على طاقات عالية جدًا.

إن الآلية التي يُعتقد أن حدوث الانتهاك من خلالها هي بوزون غولدستون المعروف باسم جسيم هيغز، فمن خلال هذه العملية، يكتسب كل من حاملات القوة الضعيفة (W + ،W- ،Z) وبوزون هيجز نفسه كتلة (كبيرة).

توحيد القوة الكهروضعيفة

في فيزياء العقدة، إن توحيد الكهروضعيف هو نتيجة لتضمين هندسة الفرميون في وصف المجال الكهرومغناطيسي.

الكهرومغناطيسية

السبب الحقيقي للضعف الواضح للقوة الضعيفة هو الكتلة الكبيرة للجسيمات الوسيطة، حيث تُترجم الكتلة الكبيرة إلى مدى قصير لجسيم افتراضي عند عمليات نقل الزخم المنخفضة، وهذا المدى القصير هو ما يجعل القوة الضعيفة تبدو ضعيفة لأن الزخم ينتقل أقل بكثير من كتل جسيمات W و Z ، أي لـ q ≪ 100 GeV، وبالنسبة للبتونات والكواركات ذات الطاقات E ≫ 100 GeV، وتعمل القوة الضعيفة بنفس قوة القوة الكهرومغناطيسية.