Interaksi yang lemah
Fisika telah bergerak perlahan untuk mengidentifikasi keberadaan interaksi lemah. Gaya lemah bertanggung jawab atas peluruhan partikel; dan oleh karena itu manifestasinya dihadapkan pada penemuan radioaktivitas dan studi peluruhan beta.
Peluruhan beta telah mengungkapkan fitur yang sangat aneh. Penelitian mengarah pada kesimpulan bahwa peluruhan ini tampaknya melanggar salah satu hukum dasar fisika – hukum kekekalan energi. Sepertinya sebagian energinya menghilang entah kemana. Untuk “menghemat” hukum kekekalan energi, W. Pauli menyarankan bahwa selama peluruhan beta, partikel lain terbang bersama elektron, membawa serta energi yang hilang. Ia netral dan memiliki kemampuan penetrasi yang luar biasa tinggi, sehingga tidak dapat diamati. E. Fermi menyebut partikel tak kasat mata sebagai “neutrino”.
Namun memprediksi neutrino hanyalah permulaan dari masalah, rumusannya. Sifat neutrino perlu dijelaskan, tetapi masih banyak misteri di sini. Faktanya adalah elektron dan neutrino dipancarkan oleh inti yang tidak stabil. Namun telah terbukti secara tak terbantahkan bahwa tidak ada partikel seperti itu di dalam inti atom. Mengenai kemunculannya, dikemukakan bahwa elektron dan neutrino tidak ada di dalam inti dalam “bentuk jadi”, tetapi entah bagaimana terbentuk dari energi inti radioaktif. Penelitian lebih lanjut menunjukkan bahwa neutron yang termasuk dalam inti, dibiarkan sendiri, setelah beberapa menit meluruh menjadi proton, elektron, dan neutrino, yaitu. alih-alih satu partikel, tiga partikel baru muncul. Analisis tersebut menghasilkan kesimpulan bahwa kekuatan-kekuatan yang diketahui tidak dapat menyebabkan disintegrasi seperti itu. Tampaknya itu dihasilkan oleh kekuatan lain yang tidak diketahui. Penelitian telah menunjukkan bahwa gaya ini berhubungan dengan beberapa interaksi lemah.
Interaksi lemah secara signifikan lebih kecil besarnya dibandingkan semua interaksi kecuali interaksi gravitasi, dan dalam sistem yang terdapat interaksi lemah, pengaruhnya dibayangi oleh interaksi elektromagnetik dan interaksi kuat. Selain itu, interaksi lemah menyebar dalam jarak yang sangat kecil. Jari-jari interaksi lemah sangat kecil. Interaksi lemah berhenti pada jarak lebih dari 10-16 cm dari sumbernya, sehingga tidak dapat mempengaruhi benda makroskopis, tetapi terbatas pada mikrokosmos, partikel subatom. Ketika penemuan banyak partikel subnuklir tidak stabil seperti longsoran salju dimulai, ditemukan bahwa sebagian besar dari mereka berpartisipasi dalam interaksi lemah.
Interaksi yang kuat
Rangkaian interaksi mendasar yang terakhir adalah interaksi kuat, yang merupakan sumber energi yang sangat besar. Contoh paling khas dari energi yang dilepaskan oleh interaksi kuat adalah Matahari. Di kedalaman Matahari dan bintang, reaksi termonuklir terus terjadi yang disebabkan oleh interaksi kuat. Namun manusia juga telah belajar melepaskan interaksi kuat: bom hidrogen telah diciptakan, teknologi untuk reaksi termonuklir terkendali telah dirancang dan ditingkatkan.
Fisika sampai pada gagasan adanya interaksi kuat ketika mempelajari struktur inti atom. Suatu gaya harus menahan proton bermuatan positif di dalam inti, mencegahnya terbang menjauh di bawah pengaruh tolakan elektrostatis. Gravitasi terlalu lemah untuk menyediakan hal ini; Jelas, semacam interaksi diperlukan, terlebih lagi, lebih kuat daripada interaksi elektromagnetik. Hal itu kemudian ditemukan. Ternyata meskipun interaksi kuat secara signifikan melebihi semua interaksi fundamental lainnya, interaksi tersebut tidak terasa di luar inti. Seperti halnya interaksi lemah, radius aksi gaya baru ternyata sangat kecil: interaksi kuat memanifestasikan dirinya pada jarak yang ditentukan oleh ukuran inti, yaitu. sekitar 10-13 cm Selain itu, ternyata tidak semua partikel mengalami interaksi kuat. Jadi, proton dan neutron mengalaminya, tetapi elektron, neutrino, dan foton tidak terpengaruh. Biasanya hanya partikel berat yang berpartisipasi dalam interaksi kuat. Ia bertanggung jawab atas pembentukan inti dan banyak interaksi partikel elementer.
Penjelasan teoretis tentang sifat interaksi kuat sulit dikembangkan. Sebuah terobosan baru muncul di awal tahun 60an, ketika model quark diusulkan. Dalam teori ini, neutron dan proton dianggap bukan sebagai partikel elementer, melainkan sebagai sistem komposit yang dibangun dari quark.
Jadi, dalam interaksi fisik mendasar, perbedaan antara gaya jarak jauh dan gaya jarak pendek terlihat jelas. Di satu sisi, interaksi dengan radius tak terbatas (gravitasi, elektromagnetisme), dan di sisi lain, dengan radius kecil (kuat dan lemah). Dunia proses fisik terbentang dalam batas-batas kedua polaritas ini dan merupakan perwujudan kesatuan yang sangat kecil dan yang sangat besar - aksi jangka pendek di dunia mikro dan aksi jangka panjang di seluruh Alam Semesta.
Diagram Feynman tentang peluruhan beta neutron menjadi proton, elektron, dan antineutrino elektron melalui boson W perantara adalah salah satu dari empat interaksi fisik mendasar antara partikel elementer, bersama dengan gravitasi, elektromagnetik, dan kuat. Manifestasinya yang paling terkenal adalah peluruhan beta dan radioaktivitas yang terkait dengannya. Interaksi bernama lemah, karena kekuatan medan yang berhubungan dengannya adalah 10 13 lebih kecil daripada medan yang menyatukan partikel-partikel nuklir (nukleon dan kuark) dan 10 10 lebih kecil dari medan Coulomb pada skala ini, tetapi jauh lebih kuat daripada kekuatan gravitasi. Interaksinya mempunyai jangkauan yang pendek dan hanya muncul pada jarak sesuai urutan ukuran inti atom.Teori interaksi lemah pertama dikemukakan oleh Enrico Fermi pada tahun 1930. Saat mengembangkan teori tersebut, ia menggunakan hipotesis Wolfgang Pauli tentang keberadaan partikel elementer baru, neutrino, pada saat itu.
Interaksi lemah menggambarkan proses-proses dalam fisika nuklir dan partikel yang terjadi relatif lambat, berbeda dengan proses cepat yang disebabkan oleh interaksi kuat. Misalnya, waktu paruh neutron kira-kira 16 menit. – Keabadian dibandingkan dengan proses nuklir, yang ditandai dengan waktu 10 -23 detik.
Sebagai perbandingan, pion bermuatan? ± meluruh melalui interaksi lemah dan mempunyai umur 2,6033 ± 0,0005 x 10 -8 s, sedangkan pion netral? 0 meluruh menjadi dua kuanta gamma melalui interaksi elektromagnetik dan memiliki masa pakai 8,4 ± 0,6 x 10 -17 s.
Ciri interaksi lainnya adalah jalur bebas partikel dalam suatu zat. Partikel yang berinteraksi melalui interaksi elektromagnetik - partikel bermuatan, gamma quanta - dapat ditahan oleh pelat besi setebal beberapa puluh sentimeter. Sedangkan neutrino, yang interaksinya hanya lemah, melewati lapisan logam setebal satu miliar kilometer tanpa pernah bertabrakan.
Interaksi lemah melibatkan quark dan lepton, termasuk neutrino. Dalam hal ini, aroma partikel berubah, mis. tipe mereka. Misalnya, akibat peluruhan sebuah neutron, salah satu d-quarknya berubah menjadi u-quark. Neutrino unik karena berinteraksi dengan partikel lain hanya melalui interaksi gravitasi yang lemah, dan bahkan lebih lemah.
Menurut konsep modern, yang dirumuskan dalam Model Standar, interaksi lemah dilakukan oleh boson pengukur W dan Z, yang ditemukan di akselerator pada tahun 1982. Massanya 80 dan 90 kali massa proton. Pertukaran boson W virtual disebut arus bermuatan, pertukaran boson Z disebut arus netral.
Simpul diagram Feynman yang menggambarkan kemungkinan proses yang melibatkan boson pengukur W dan Z dapat dibagi menjadi tiga jenis:
Lepton dapat melakukan viprominit atau menyerap boson W dan berubah menjadi neutrino;
sebuah quark dapat melakukan viprominit atau menyerap boson W, dan mengubah rasanya, menjadi superposisi dari quark lainnya;
lepton atau quark dapat menyerap atau viprominit Z-boson
Kemampuan suatu partikel untuk berinteraksi secara lemah dijelaskan oleh bilangan kuantum yang disebut isospin lemah. Kemungkinan nilai isospin partikel yang dapat menukar boson W dan Z adalah ± 1/2. Partikel inilah yang berinteraksi melalui interaksi lemah. Partikel dengan isospin lemah nol, yang proses pertukaran boson W dan Z tidak mungkin dilakukan, tidak berinteraksi melalui mutualisme lemah. Isospin yang lemah dipertahankan dalam reaksi antar partikel elementer. Ini berarti isospin lemah total semua partikel yang berpartisipasi dalam reaksi tetap tidak berubah, meskipun jenis partikelnya dapat berubah.
Ciri interaksi lemah adalah melanggar paritas, karena hanya fermion dengan kiralitas kidal dan antipartikel fermion dengan kiralitas kidal yang memiliki kemampuan untuk berinteraksi lemah melalui arus bermuatan. Nonkonservasi paritas dalam interaksi lemah ditemukan oleh Yang Zhenning dan Li Zhengdao, dan mereka menerima Hadiah Nobel Fisika pada tahun 1957. Alasan non-konservasi paritas terlihat pada putusnya simetri secara spontan. Dalam Model Standar, pemutusan simetri berhubungan dengan partikel hipotetis, Higgs boson. Ini adalah satu-satunya partikel model biasa yang belum ditemukan secara eksperimental.
Dengan interaksi yang lemah, simetri CP juga terganggu. Pelanggaran ini ditemukan secara eksperimental pada tahun 1964 dalam percobaan dengan kaon. Penulis penemuan ini, James Cronin dan Val Fitch, dianugerahi Hadiah Nobel pada tahun 1980. Pelanggaran simetri CP jauh lebih jarang terjadi dibandingkan pelanggaran paritas. Artinya juga, karena kekekalan simetri CPT didasarkan pada prinsip fisika dasar - transformasi Lorentz dan interaksi jarak pendek, kemungkinan putusnya simetri T, yaitu. non-invarian proses fisik terhadap perubahan arah waktu.
Pada tahun 1969, sebuah teori terpadu tentang interaksi elektromagnetik dan nuklir lemah dibangun, yang menyatakan bahwa pada energi 100 GeV, yang sesuai dengan suhu 10 15 K, perbedaan antara proses elektromagnetik dan lemah menghilang. Verifikasi eksperimental terhadap teori terpadu interaksi nuklir lemah dan kuat memerlukan peningkatan energi akselerator sebanyak seratus miliar kali lipat.
Teori interaksi elektrolemah didasarkan pada gugus simetri SU(2).
Meskipun ukurannya kecil dan durasinya pendek, interaksi yang lemah memainkan peran yang sangat penting di alam. Jika interaksi lemah dapat “dimatikan”, maka Matahari akan padam, karena terjadi proses pengubahan proton menjadi neutron, positron, dan neutrino, yang mengakibatkan 4 proton berubah menjadi 4 He, dua positron dan dua neutrino, menjadi mustahil. Proses ini berfungsi sebagai sumber energi utama bagi Matahari dan sebagian besar bintang (lihat siklus Hidrogen). Proses interaksi yang lemah penting bagi evolusi bintang, karena menyebabkan hilangnya energi bintang yang sangat panas dalam ledakan supernova dengan pembentukan pulsar, dll. Jika tidak ada interaksi lemah di alam, muon, pi-meson, dan partikel lainnya akan stabil dan tersebar luas dalam materi biasa. Peran penting interaksi lemah ini disebabkan karena tidak mematuhi sejumlah larangan yang menjadi ciri interaksi kuat dan elektromagnetik. Secara khusus, interaksi yang lemah mengubah lepton bermuatan menjadi neutrino, dan quark dari satu rasa menjadi quark rasa lainnya.
Waktu ibarat sungai yang membawa peristiwa-peristiwa yang berlalu, dan arusnya kuat; Begitu sesuatu muncul di depan mata Anda, ia telah terbawa, dan Anda dapat melihat sesuatu yang lain yang juga akan segera terbawa.
Marcus Aurelius
Kita masing-masing berusaha menciptakan gambaran dunia yang holistik, termasuk gambaran Alam Semesta, dari partikel subatom terkecil hingga skala terbesar. Namun hukum fisika terkadang begitu aneh dan berlawanan dengan intuisi sehingga tugas ini bisa menjadi sangat berat bagi mereka yang belum menjadi ahli fisika teoretis profesional.
Seorang pembaca bertanya:
Walaupun ini bukan astronomi, mungkin Anda bisa memberi saya petunjuk. Gaya kuat dibawa oleh gluon dan mengikat quark dan gluon menjadi satu. Elektromagnetik dibawa oleh foton dan mengikat partikel bermuatan listrik. Gravitasi seharusnya dibawa oleh graviton dan mengikat semua partikel menjadi massa. Yang lemah dibawa oleh partikel W dan Z, dan... berhubungan dengan peluruhan? Mengapa gaya lemah digambarkan seperti ini? Apakah gaya lemah bertanggung jawab atas gaya tarik-menarik dan/atau tolak-menolak suatu partikel? Dan yang mana? Dan jika tidak, lalu mengapa ini menjadi salah satu interaksi mendasar jika tidak terkait dengan kekuatan apa pun? Terima kasih.
Mari kita bahas dasar-dasarnya. Ada empat gaya fundamental di alam semesta – gravitasi, elektromagnetisme, gaya nuklir kuat, dan gaya nuklir lemah.
Dan semua ini adalah interaksi, kekuatan. Untuk partikel yang keadaannya dapat diukur, penerapan gaya mengubah momennya - dalam kehidupan biasa, dalam kasus seperti ini kita berbicara tentang percepatan. Dan bagi ketiga kekuatan ini, hal ini benar adanya.
Dalam kasus gravitasi, jumlah total energi (sebagian besar massa, tetapi semua energi termasuk) membengkokkan ruangwaktu, dan gerak semua partikel lainnya berubah dengan adanya segala sesuatu yang berenergi. Inilah cara kerjanya dalam teori gravitasi klasik (non-kuantum). Mungkin ada teori yang lebih umum, gravitasi kuantum, di mana pertukaran graviton mengarah pada apa yang kita amati sebagai interaksi gravitasi.
Sebelum Anda melanjutkan, harap dipahami:
- Partikel mempunyai sifat, atau sesuatu yang melekat pada dirinya, yang memungkinkannya merasakan (atau tidak merasakan) jenis gaya tertentu.
- Partikel lain yang membawa interaksi berinteraksi dengan partikel pertama
- Sebagai hasil interaksi, partikel mengubah momennya, atau mempercepatnya
Dalam elektromagnetisme, sifat utamanya adalah muatan listrik. Berbeda dengan gravitasi, gravitasi bisa positif atau negatif. Foton, sebuah partikel yang membawa gaya yang berhubungan dengan suatu muatan, menyebabkan muatan sejenis tolak menolak dan muatan tak sejenis tarik menarik.
Perlu dicatat bahwa muatan yang bergerak, atau arus listrik, mengalami manifestasi lain dari elektromagnetisme - magnetisme. Hal yang sama terjadi dengan gravitasi, dan ini disebut gravitomagnetisme (atau gravitoelektromagnetisme). Kami tidak akan membahasnya lebih dalam - intinya tidak hanya ada muatan dan pembawa gaya, tetapi juga arus.
Ada juga interaksi nuklir kuat, yang memiliki tiga jenis muatan. Meskipun semua partikel memiliki energi dan tunduk pada gravitasi, dan meskipun quark, setengah lepton dan sepasang boson mengandung muatan listrik - hanya quark dan gluon yang memiliki muatan berwarna dan dapat mengalami gaya nuklir kuat.
Ada banyak massa dimana-mana, sehingga gravitasi mudah diamati. Dan karena gaya kuat dan elektromagnetismenya cukup kuat, maka keduanya juga mudah diamati.
Tapi bagaimana dengan yang terakhir? Interaksi yang lemah?
Kita biasanya membicarakannya dalam konteks peluruhan radioaktif. Quark atau lepton yang berat terurai menjadi lebih ringan dan lebih stabil. Ya, interaksi yang lemah ada hubungannya dengan ini. Namun dalam contoh ini, gaya ini berbeda dengan gaya lainnya.
Ternyata interaksi yang lemah juga merupakan suatu kekuatan, hanya saja jarang dibicarakan. Dia lemah! 10.000.000 kali lebih lemah dari elektromagnetisme pada jarak diameter proton.
Partikel bermuatan selalu mempunyai muatan, baik bergerak atau tidak. Namun arus listrik yang dihasilkannya bergantung pada pergerakannya relatif terhadap partikel lain. Arus menentukan magnetisme, yang sama pentingnya dengan bagian kelistrikan elektromagnetisme. Partikel gabungan seperti proton dan neutron memiliki momen magnet yang signifikan, sama seperti elektron.
Quark dan lepton hadir dalam enam rasa. Quark - atas, bawah, aneh, terpesona, menawan, benar (sesuai dengan sebutan hurufnya dalam bahasa Latin u, d, s, c, t, b - atas, bawah, aneh, pesona, atas, bawah). Lepton - elektron, elektron-neutrino, muon, muon-neutrino, tau, tau-neutrino. Masing-masing memiliki muatan listrik, tetapi juga aroma. Jika kita menggabungkan elektromagnetisme dan gaya lemah untuk mendapatkan gaya elektrolemah, maka masing-masing partikel akan mempunyai muatan lemah, atau arus elektrolemah, dan konstanta gaya lemah. Semua ini dijelaskan dalam Model Standar, namun cukup sulit untuk mengujinya karena elektromagnetismenya sangat kuat.
Dalam percobaan baru, yang hasilnya dipublikasikan baru-baru ini, kontribusi interaksi lemah diukur untuk pertama kalinya. Eksperimen tersebut memungkinkan untuk menentukan interaksi lemah quark atas dan bawah
Dan muatan lemah proton dan neutron. Prediksi Model Standar untuk muatan lemah adalah:
Q W (p) = 0,0710 ± 0,0007,
Q W (n) = -0,9890 ± 0,0007.
Dan berdasarkan hasil hamburan, percobaan tersebut menghasilkan nilai sebagai berikut:
Q W (p) = 0,063 ± 0,012,
Q W (n) = -0,975 ± 0,010.
Yang sangat sesuai dengan teori, dengan mempertimbangkan kesalahannya. Para peneliti mengatakan bahwa dengan memproses lebih banyak data, mereka akan semakin mengurangi kesalahan. Dan jika ada kejutan atau perbedaan dari Model Standar, itu keren! Tapi tidak ada yang menunjukkan hal ini:
Oleh karena itu, partikel mempunyai muatan yang lemah, tetapi kita tidak membicarakannya, karena sulit diukur secara tidak realistis. Namun kami tetap melakukannya, dan tampaknya kami telah menegaskan kembali Model Standar.
Pembaca akrab dengan kekuatan-kekuatan yang sifatnya berbeda-beda yang memanifestasikan dirinya di dalamnya interaksi antar tubuh. Namun pada dasarnya tipenya berbeda interaksi sangat kecil. Selain gravitasi, yang memainkan peran penting hanya dengan adanya massa yang sangat besar, maka hanya ada tiga jenis interaksi yang diketahui: kuat, elektromagnetik dan lemah.
Elektromagnetik interaksi semua orang tahu. Berkat mereka, muatan listrik yang bergerak tidak merata (misalnya, elektron dalam atom) memancarkan gelombang elektromagnetik (misalnya, cahaya tampak). Semua proses kimia dikaitkan dengan kelas interaksi ini, serta semua fenomena molekuler - tegangan permukaan, kapilaritas, adsorpsi, fluiditas. Elektromagnetik interaksi, teori yang secara cemerlang dikonfirmasi oleh pengalaman, sangat berkaitan dengan muatan listrik dasar partikel.
Kuat interaksi baru diketahui setelah ditemukannya struktur internal inti atom. Pada tahun 1932 ditemukan bahwa ia terdiri dari nukleon, neutron, dan proton. Dan tepatnya kuat interaksi menghubungkan nukleon dalam inti - bertanggung jawab atas gaya nuklir, yang, tidak seperti gaya elektromagnetik, dicirikan oleh rentang aksi yang sangat pendek (sekitar 10-13, yaitu sepersepuluh triliun sentimeter) dan intensitas tinggi. Di samping itu, kuat interaksi muncul saat tabrakan partikel energi tinggi yang melibatkan pion dan apa yang disebut "aneh" partikel.
Lebih mudah untuk memperkirakan intensitas interaksi menggunakan apa yang disebut jalur bebas rata-rata partikel dalam beberapa zat, mis. sepanjang rata-rata panjang jalur, yang partikel dapat melewati zat ini sampai terjadi tumbukan yang merusak atau membelokkan kuat. Jelas bahwa semakin panjang jalur bebas rata-rata, semakin sedikit intensitas interaksinya.
Jika kita mempertimbangkan partikel energinya sangat tinggi, maka tumbukan yang ditimbulkannya kuat interaksi, dicirikan oleh jalur bebas partikel, sesuai dengan urutan besarnya hingga puluhan sentimeter pada tembaga atau besi.
Situasinya berbeda dengan yang lemah interaksi. Seperti yang telah kami katakan, jalur bebas rata-rata neutrino dalam materi padat diukur dalam satuan astronomi. Hal ini menunjukkan intensitas interaksi lemah yang sangat rendah.
Proses apa pun interaksi dasar partikel ditandai dengan waktu tertentu yang menentukan durasi rata-ratanya. Proses yang disebabkan oleh lemah interaksi, sering disebut “lambat” karena waktu yang dibutuhkan relatif lama.
Namun pembaca mungkin akan terkejut bahwa suatu fenomena yang terjadi dalam waktu, katakanlah, 10-6 (sepersejuta) detik tergolong lambat. Masa hidup ini khas, misalnya, peluruhan muon disebabkan oleh lemah interaksi. Tapi semuanya dipelajari dengan perbandingan. Di dalam dunia dasar partikel jangka waktu seperti itu memang cukup lama. Satuan panjang alami dalam mikrokosmos adalah 10-13 sentimeter - jari-jari aksi gaya nuklir. Dan sejak SD partikel energi tinggi memiliki kecepatan mendekati kecepatan cahaya (sekitar 1010 sentimeter per detik), maka skala waktu “normal” untuknya adalah 10-23 detik.
Artinya, waktu 10-6 detik bagi “warga” dunia mikro jauh lebih lama dibandingkan bagi Anda dan saya seluruh periode keberadaan kehidupan di Bumi.
Pada tahun 1896, ilmuwan Perancis Henri Becquerel menemukan radioaktivitas dalam uranium. Ini adalah sinyal eksperimental pertama tentang kekuatan alam yang sebelumnya tidak diketahui - interaksi lemah. Kita sekarang tahu bahwa gaya lemah berada di balik banyak fenomena yang sudah dikenal - misalnya, ia terlibat dalam beberapa reaksi termonuklir yang mendukung radiasi Matahari dan bintang-bintang lainnya.
Nama "lemah" muncul pada interaksi ini karena kesalahpahaman - misalnya, untuk proton, interaksi ini 1033 kali lebih kuat daripada interaksi gravitasi (lihat Gravitasi, Kesatuan kekuatan alam). Ini lebih merupakan interaksi destruktif, satu-satunya kekuatan alam yang tidak menyatukan substansi, tetapi hanya menghancurkannya. Bisa juga disebut “tidak berprinsip”, karena dalam penghancurannya tidak memperhitungkan prinsip paritas spasial dan reversibilitas temporal, yang diamati oleh kekuatan lain.
Sifat dasar interaksi lemah diketahui pada tahun 1930-an, terutama berkat karya fisikawan Italia E. Fermi. Ternyata, tidak seperti gaya gravitasi dan listrik, gaya lemah mempunyai rentang aksi yang sangat pendek. Pada tahun-tahun itu, tampaknya tidak ada radius aksi sama sekali - interaksi terjadi pada satu titik di ruang angkasa, dan terlebih lagi, secara instan. Interaksi ini secara virtual (dalam waktu singkat) mengubah setiap proton inti menjadi neutron, positron menjadi positron dan neutrino, dan setiap neutron menjadi proton, elektron, dan antineutrino. Dalam inti stabil (lihat Inti atom), transformasi ini tetap bersifat virtual, seperti penciptaan pasangan elektron-positron atau pasangan proton-antiproton secara virtual dalam ruang hampa. Jika perbedaan massa inti yang berbeda muatannya cukup besar, transformasi maya ini menjadi nyata, dan inti mengubah muatannya sebesar 1, sehingga memancarkan elektron dan antineutrino (peluruhan β elektronik) atau positron dan a neutrino (peluruhan positron β). Neutron memiliki massa yang melebihi sekitar 1 MeV jumlah massa proton dan elektron. Oleh karena itu, neutron bebas meluruh menjadi proton, elektron, dan antineutrino, melepaskan energi sekitar 1 MeV. Masa hidup neutron bebas kira-kira 10 menit, meskipun dalam keadaan terikat, misalnya pada deuteron, yang terdiri dari neutron dan proton, partikel-partikel ini hidup tanpa batas.
Peristiwa serupa terjadi dengan muon (lihat Lepton) - ia meluruh menjadi elektron, neutrino, dan antineutrino. Sebelum meluruh, muon hidup sekitar 10 -6 detik - jauh lebih sedikit daripada neutron. Teori Fermi menjelaskan hal ini dengan perbedaan massa partikel yang terlibat. Semakin banyak energi yang dilepaskan selama peluruhan, semakin cepat pula peluruhannya. Pelepasan energi selama peluruhan μ adalah sekitar 100 MeV, kira-kira 100 kali lebih besar dibandingkan selama peluruhan neutron. Umur suatu partikel berbanding terbalik dengan pangkat lima energi tersebut.
Ternyata dalam beberapa dekade terakhir, interaksi yang lemah bersifat nonlokal, yaitu tidak terjadi secara instan dan tidak pada satu titik. Menurut teori modern, interaksi lemah tidak ditransmisikan secara instan, tetapi pasangan virtual elektron - antineutrino lahir 10 -26 detik setelah muon berubah menjadi neutrino, dan ini terjadi pada jarak 10 -16 cm , tentu saja, tidak ada satu pun mikroskop yang dapat mengukur jarak sekecil itu, sama seperti tidak ada stopwatch yang dapat mengukur interval waktu sekecil itu. Seperti yang hampir selalu terjadi, dalam fisika modern kita harus puas dengan data tidak langsung. Fisikawan membangun berbagai hipotesis tentang mekanisme proses dan menguji segala macam konsekuensi dari hipotesis tersebut. Hipotesis yang bertentangan dengan setidaknya satu eksperimen yang dapat diandalkan akan dibuang, dan eksperimen baru dilakukan untuk menguji hipotesis lainnya. Proses ini, dalam kasus interaksi lemah, berlanjut selama sekitar 40 tahun, hingga fisikawan yakin bahwa interaksi lemah dilakukan oleh partikel supermasif - 100 kali lebih berat daripada proton. Partikel-partikel ini memiliki spin 1 dan disebut boson vektor (ditemukan pada tahun 1983 di CERN, Swiss – Perancis).
Ada dua boson vektor bermuatan W + , W - dan satu netral Z 0 (ikon di atas, seperti biasa, menunjukkan muatan dalam satuan proton). Vektor bermuatan boson W - “bekerja” dalam peluruhan neutron dan muon. Jalannya peluruhan muon ditunjukkan pada Gambar. (atas, kanan). Gambar seperti ini disebut diagram Feynman; gambar tersebut tidak hanya mengilustrasikan proses, tetapi juga membantu menghitungnya. Ini adalah semacam singkatan dari rumus probabilitas suatu reaksi; ini digunakan di sini untuk tujuan ilustrasi saja.
Muon berubah menjadi neutrino, memancarkan boson W, yang meluruh menjadi elektron dan antineutrino. Energi yang dilepaskan tidak cukup untuk kelahiran boson W yang sebenarnya, sehingga ia lahir secara virtual, yakni dalam waktu yang sangat singkat. Dalam hal ini adalah 10 -26 detik. Selama waktu ini, medan yang berhubungan dengan boson W tidak mempunyai waktu untuk membentuk gelombang, atau partikel nyata (lihat Medan dan partikel). Gumpalan medan berukuran 10 -16 cm terbentuk, dan setelah 10 -26 detik sebuah elektron dan antineutrino lahir darinya.
Untuk peluruhan neutron, diagram yang sama dapat digambar, tetapi di sini diagram tersebut sudah menyesatkan kita. Faktanya adalah ukuran neutron adalah 10 -13 cm, yang 1000 kali lebih besar dari jari-jari aksi gaya lemah. Oleh karena itu, gaya-gaya ini bekerja di dalam neutron, tempat quark berada. Salah satu dari tiga kuark neutron memancarkan boson W, berubah menjadi kuark lain. Muatan quark dalam sebuah neutron adalah -1/3, -1/3 dan +2/3, sehingga salah satu dari dua quark yang bermuatan negatif -1/3 menjadi quark yang bermuatan positif +2/ 3. Hasilnya adalah quark dengan muatan -1/3, 2/3, 2/3, yang bersama-sama membentuk proton. Produk reaksi - elektron dan antineutrino - terbang bebas keluar dari proton. Namun quark yang memancarkan boson W mendapat serangan balik dan mulai bergerak ke arah yang berlawanan. Kenapa dia tidak terbang?
Itu disatukan oleh interaksi yang kuat. Interaksi ini akan membawa quark beserta dua temannya yang tidak dapat dipisahkan, sehingga menghasilkan proton yang bergerak. Menurut skema serupa, peluruhan lemah (terkait dengan interaksi lemah) dari hadron yang tersisa terjadi. Semuanya bermuara pada emisi boson vektor oleh salah satu quark, transisi boson vektor ini menjadi lepton (partikel μ-, e-, τ- dan ν) dan perluasan lebih lanjut dari produk reaksi.
Namun terkadang, peluruhan hadronik juga terjadi: boson vektor dapat meluruh menjadi pasangan quark-antiquark, yang akan berubah menjadi meson.
Jadi, sejumlah besar reaksi berbeda disebabkan oleh interaksi quark dan lepton dengan boson vektor. Interaksi ini bersifat universal, yaitu sama untuk quark dan lepton. Universalitas interaksi lemah, berbeda dengan universalitas interaksi gravitasi atau elektromagnetik, belum mendapat penjelasan yang komprehensif. Dalam teori modern, interaksi lemah digabungkan dengan interaksi elektromagnetik (lihat Kesatuan kekuatan alam).
Tentang kerusakan simetri akibat interaksi lemah, lihat Paritas, Neutrino. Artikel The Unity of the Forces of Nature berbicara tentang tempat kekuatan lemah dalam gambaran dunia mikro.
