نیروی هسته ای ضعیف چیست و چرا مهم است؟

نیروی هسته ای ضعیف یکی از عجیب‌ترین کشف‌های بشر محسوب می‌شود. نیرویی که با قوانین شناخته شده فیزیک همخوانی ندارد. نقش این نیرو در دنیای فیزیک چیست و چه اهمیتی در حفظ و شکل دادن به ساختار جهان دارد؟

ماجرای کشف نیروی هسته ای ضعیف بسیار جالب است. در دهه ۱۹۳۰ فیزیکدانان در حال انجام آزمایش‌هایی بودند که در آنها واپاشی بتا رخ می‌داد. آنها می‌دیدند که یک عنصر ناگهان یک الکترون پرسرعت خود را به بیرون پرتاب می‌کند. پس از این اتفاق نیز عنصر به چیز دیگری تبدیل می‌شود. گاهی شاهد شکل‌گیری یک ایزوتوپ هستیم و گاهی نیز یک عنصر کاملا متفاوت شکل می‌گیرد. این مسئله ذهن همه را درگیر کرده بود. آنها نمی‌دانستند که چه اتفاقی در حال افتادن است.

نیروی هسته ای ضعیف؛ نیرویی بنیادی و کاملا متفاوت

انریکو فرمی پاسخی جالب برای این مشکل ارائه داد. او گفت که شاید یک نیروی جدید در طبیعت وجود دارد که ما پیشتر از وجود آن آگاه نبوده‌ایم. این روزها در اخبار علمی فرمی را با پارادوکس معروفش در رابطه با دلایل عدم مشاهده موجودات فضایی می‌شناسند. هرچند که این دانشمند برجسته در محافل علمی بیششتر به‌خاطر دستاوردهای شگفت‌انگیز خود در دنیای فیزیک شناخته می‌شود.

در اوایل قرن بیستم دانشمندان می‌دانستند که هسته اتم از پروتون‌ها و نوترون‌ها تشکیل شده است. فرمی گفت که شاید یک نیروی جدید بتواند نوترون را به پروتون و یا پروتون را به نوترون تبدیل کند. در طول این فرآيند نیز یک الکترون و یک ذره تقریبا بدون جرم به‌نام نوتروینو از اتم جدا می‌شوند. فرمی فقط حدس زده بود؛ اما حدس او درست بود و یکی از چهار نیروی بنیادی طبیعت (گرانش، الکترومغناطیس، نیروی هسته‌ای قوی) یعنی نیروی هسته ای ضعیف شناسایی شد.

ویژگی‌های متفاوت Weak Nuclear Force

نیروی هسته ای ضعیف توانایی‌های خاصی دارد که در هیچکدام از سایر نیروهای بنیادی جهان دیده نمی‌شود. به‌عنوان مثال این نیرو می‌تواند نوع کوارک‌ها (اجزای شکل‌دهنده پروتون‌‌ها و نوترون‌ها) را تغییر دهد. اتفاقی که باعث می‌شود نوترون‌ها و پروتون‌ها بتوانند جای یکدیگر را بگیرند. همچنین این نیرو به‌شکل عجیبی ضعیف است (دلیل نام‌گذاری).

ثابت جفت‌شدگی این نیرو در مقایسه با نیروی الکترومغناطیس تا ۱۰۰ هزار برابر ضعیف‌تر است. این مفهوم نشان می‌دهد که چقدر احتمال دارد دو ذره از طریق یک نیروی خاص برهم‌کنش داشته باشند. جالب اینکه علاوه بر ثابت جفت‌شدگی پایین، برد این نیرو نیز بسیار محدود است. در فاصله ^۱۸- ۱۰ متر ایین نیرو از نظر قدرت با نیروی الکترومغناطیس برابری می‌کند. هرچند اگر فاصله ^۱۷- ۱۰ متر باشد، قدرت آن تا ۱۰ هزار برابر ضعیف می‌شود.

دلیل برد محدود تاثیرگذاری این نیرو چیست؟ مسئله به یکی از ویژگی‌های منحصر به‌فرد ذرات حامل نیروی هسته ای ضعیف مربوط می‌شود. بر اساس یافته‌های فیزیک کوانتوم، ذرات حامل سایر نیروهای بنیادی جهان بی‌جرم هستند. همین نیز سبب می‌شود که تبادل آنها در فاصله‌های زیاد به انرژی زیادی نیاز نداشته باشد. هرچند وزن ذرات حامل نیروی ضعیف یعنی بوزون‌های W و Z حتی از پروتون هم فوق‌العاده بیشتر است.

یک نیروی‌ ساختارشکن و یاغی

کشف جدید به‌شدت باعث تعجب دانشمندان در دهه‌های ۱۹۴۰ و ۱۹۵۰ شد. آنها درک نمی‌کردند چطور ذرات یک نیروی بسیار ضعیف می‌تواند تا ۹۰ برابر پروتون سنگین باشند. این مسئله به یکی از معماهای بزرگ علمی جهان تبدیل شده بود. تا اینکه یک فیزیکدان نظری به‌نام پیتر هیگز پاسخ را ارائه داد. او گفت که در کل جهان چیزی به‌نام میدان هیگز وجود دارد. یک میدان نامرئی که با ذرات بنیادی در تعامل است.

حرکت ذرات در میدان هیگز را می‌توان با حرکت در یک مایع غلیط و چسبناک مقایسه کرد. هرچقدر تعامل یک ذره با این مایع بیشتر باشد، سخت‌تر حرکت می‌کند و در نتیجه انگار سنگین‌تر است. چیزی که ما با نام جرم ذرات می‌شناسیم. برخی ذرات مثل فوتون‌ها تعاملی با این میدان ندارند و آزادانه حرکت می‌کنند. هرچند بوزون اینگونه نیست. همین نیز سبب می‌شود که برد نیروی هسته ای ضعیف فوق‌العاده محدود باشد.

توجه داشته باشید اگر میدان هیگز وجود نداشت، هرگز پروتون‌ها و نوترون‌ها ایجاد نمی‌شوند و اتم‌ها شکل نمی‌گرفتند. بدون وجود اتم‌ها نیز نمی‌توانستیم از شکل‌گیری ماده و جهان صحبت کنیم. حتی امروز نیز بسیاری در تلاش برای بررسی نقش میدان هیگز در پایان جهان هستی هستند. پایانی که ممکن است کاملا ناگهانی و در لحظه رقم بخورد.

در ابتدای متن گفتیم که نیروی ضعیف با قوانین شناخته شده فیزیک همخوانی ندارد. جریان چیست؟ تمام نیروهای بنیادی جهان از چیزی به‌نام تقارن آینه‌ای تبعیت می‌کنند. در واقع اگر شما بخواهید یک آزمایش فیزیکی را انجام داده و همان را در آینه مشاهده کنید، نتیجه باید کاملا یکسان باشد. گرچه این مسئله در مورد نیروی هسته ای ضعیف صدق نمی‌کند.

• دانشمندان نظریه بیگ بنگ را زیر و رو کردند؛ جهان ما چطور شروع شد؟
• جهان ما چگونه کار می‌کند؟ بررسی مفهوم فضا-زمان به زبان ساده
• ادعای جنجالی دانشمندان: حیات نه از فضا، بلکه از یک راکتور هسته‌ای در دل زمین آغاز شد

یکی از ویژگی‌های ذرات مختلف جهان هلیکسی است که جهت چرخش ذره به نسبت حرکت آن را توصیف می‌کند. هلیکسی ذرات می‌تواند ساعت‌گرد یا پادساعت‌گرد باشد. از آنجایی که ترکیب ساعت‌گرد و پادساعت‌گرد در ذرات مساوی است، در آينه تقارن حفظ می‌شود. هرچند نوترینوها که فقط توسط نیروی هسته ای ضعیف ایجاد می‌شوند، رفتار دیگری دارند.

هلیکسی نوترینو همیشه پادساعت‌گرد است. به‌بیانی دیگر چیزی به‌نام نوترینو ساعت‌گرد وجود ندارد. اگر به یک فرآيند شامل نیروی ضعیف در آينه نگاه کنید، نوترینو ساعت‌گرد را خواهید دید. این مسئله باعث می‌شود که قانون تقارن آينه‌ای جهان شکسته شود.

فواید و اهمیت نیروی هسته ای ضعیف

برای جمع‌بندی باید گفت که نیروی هسته ای ضعیف تنها نیرویی است که می‌تواند ماهیت ذره را تغییر دهد، تنها نیرویی است که ذرات حامل آن جرم دارند و البته تنها نیرویی است که تقارن آینه‌ای را می‌شکند. سوال مهم اینکه این نیرو چه اهمیتی دارد و چه نقشی در جهان ایفا می‌کند؟

اگر بخواهید دو هیدروژن را با هم ترکیب کنید، نیروی دافعه مانع می‌شود. چراکه پروتون‌ها تمایلی به اینکار ندارند. در نتیجه باید یکی از پروتون‌ها تغییر ماهیت داده و به نوترون تبدیل شود. در نتیجه این اقدام دوتریون (یک پروتون و نوترون قرار گرفته در کنار هم) شکل می‌گیرد. وقتی دوتریون‌ها با یکدیگر ترکیب می‌شوند ما هلیوم را خواهیم داشت. اتفاقی که منجر به آزادسازی انرژی می‌شود. همه اینها نیز فقط به لطف نیروی هسته ای ضعیف ممکن است.

به‌طور خلاصه اگر این نیرو وجود خارجی نداشت، ستاره‌ها نمی‌توانستند انرژی تولید کنند. بدون وجود نور و گرمای ستارگان نیز جهان صرفا به قبرستانی سرد و تاریک تبدیل می‌شد. همچنین واکنش‌های انجام‌شده درون ستارگان باعث شده‌اند که کربن، نیتروژن، اکسیژن و به‌طور کلی عناصر سنگین شکل بگیرند. اگر نیروی هسته ایی ضعیف وجود نداشت، این عناصر نیز تشکیل نمی‌شدند و به‌طور کلی هیچ شکلی از حیات در جهان به‌وجود نمی‌آمد.