Zayıf kuvvet dört temel kuvvetten biridir (Diğerleri yerçekimi kuvveti, elektromanyetik kuvvet ve güçlü kuvvettir). Diğer kuvvetler her şeyi bir arada tutmaya çalışırken , zayıf kuvvet parçacıkların birbirinden kopmasından veya ışımasında daha önemli bir rol oynar.
Zayıf kuvvet veya zayıf etkileşim yerçekiminden daha güçlüdür , fakat sadece kısa mesafelerde etkilidir. Zayıf kuvvet atom-altı seviyede işler ve elementlerin oluşması ile yıldızların enerjilerini elde etmesinde önemli rol oynar. Ayrıca, Thomas Jefferson Hızlandırıcı Laboratuvarında yapılan araştırmalara göre evrendeki doğal radyasyonun çoğunun oluşmasından sorumludur.
İtalyan fizikçi Enrico Fermi 1933 yılında formüle ettiği teoride beta ışımasını açıkladı. Beta ışıması, çekirdekte bulunan bir nötronun bir protona dönüşmesini sağlar. Fermi bu ışımadan sorumlu olan ve zayıf kuvvet adı verilen etkileşmeyi teorisinde açıklamıştır. Zayıf kuvvet bir nötronun bir proton , bir elektron ve bir anti nötrinoya dönüşmesini sağlar.
Fermi başlangıçta bu kuvvetin illemesi için iki parçacığın birbirine temas etmesi gerektiğini ortaya koydu. O zamandan beri zayıf kuvvet çok kısa mesafelerde işleyen çekici bir kuvvet olarak biliniyor.
Standart Model
Zayıf kuvvet parçacık fiziğindeki en önemli teori olan ve maddenin temel yapısını bir seri şık denklemle açıklayan Standart Modelin bir parçasıdır. Standart Modele göre temel parçacıklar kendisinden daha küçük parçacıklara bölünemez ve evrenin temel yapı taşlarını oluştururlar.
Bu parçacıklardan birisi kuarktır. Bilim insanları henüz kuarktan daha küçük bir parçacık olduğuna dair bir ipucu elde edemediler, fakat araştırmaya devam ediyorlar. Altı çeşit veya çeşni kuark vardır : yukarı , aşağı, tuhaf, tılsım, alt ve üst . Kuarkların farklı kombinasyonları bir çok atom altı parçacığın oluşmasında rol oynar. Örnek vermek gerekirse, proton ve nötronun her birisi 3 kuarktan oluşur. İki yukarı ve bir aşağı kuark protonu, bir yukarı iki aşağı kuark nötronu oluşturur. Kuarklardan birinin çeşnisini değiştirmek bir protonu bir nötrona dönüştürebilir, dolayısıyla bir elementi başka bir elemente dönüştürür.
Başka çeşit bir temel parçacık ise bozonlardır. Bu kuvvet taşıyıcı parçacıklar enerji demetlerinden oluşmuşlardır. Fotonlar ve gluonlar farklı çeşit bozonlardır. Her dört çeşit temel kuvvet kuvvet taşıyıcı parçacıkların değişimi ile oluşur. Graviton teorik olarak yerçekimi kuvvetini taşıyan parçacık olarak biliniyor, fakat henüz bulunabilmiş değil.
W ve Z Bozonları
Zayıf kuvvet W ve Z bozonları aracılığıyla taşınır. Bu parçacıklar Nobel ödüllü fizikçiler Steven Wenberg ,Sheldon Salam ve Abdus Glashow tarafından 1960’lı yıllarda tahmin edildiler ve 1983 ‘te CERN ‘de keşfedildiler.
W bozonları elektrik yüklüdürler ve yükleri üzerlerindeki işaret ile temsil edilir: W+(pozitif yüklü) ve W–(Negatif yüklü). W bozonları parçacıkların çeşitlerini değiştirir. Zayıf kuvvet elektrik yüklü bir W bozonu yayınlayarak kuarkların çeşnilerini değiştirir ve bir protonun bir nötrona veya bir nötronun bir protona dönüşmesine neden olur. Bu nükleer füzyonu tetikleyen ve yıldızların yanmasına neden olan şeydir. Yanma sonucu daha ağır elementler oluşur ve süpernova patlamaları sonucunda uzaya fırlatılarak gezegenlerin yapı taşlarını oluştururlar.
Z bozonu nötr yüklüdür ve nötr bir zayıf kuvvet taşır. Parçacıklarla etkileşmesini ölçmek çok zordur. W ve Z bozanlarını bulan deneyler ,bilim insanlarını 1960’lı yıllarda elektromanyetik kuvvet ve zayıf kuvveti elektro- zayıf kuvvet adı altında birleştiren bir birleşmiş teoriye yöneltti. Fakat bu teori kuvvet taşıyan parçacıkların kütlesiz olmasını zorunlu tutuyordu ve bilim insanları W bozonlarının kısa mesafeli etkileşmesinden dolayı ağır olması gerektiğini biliyorlardı. Bilim insanları bu çelişkiden Higgs mekanizması altında , Higgs parçacığını tanıtarak kurtuldular. 2012 yılında CERN’de bu parçacığın bulunduğu duyuruldu.
Beta Işıması
Bir nötronun bir protona veya bir protonun bir nötrona dönüştüğü sürece beta ışıması adı verilir. Beta ışıması çok sayıda proton ve nötrona sahip bir çekirdekte ,proton veya nötrondan birisi diğerine dönüştüğünde oluşur. Beta ışıması iki şekilde oluşur. Beta– ışımasında , bir nötron bir proton , bir elektron ve bir elektron nötrinoya dönüşür. Beta + ışımasında, bir proton bir nötron , bir pozitron ve nötrinoya dönüşür. Beta ışıması ile bir element diğer bir elemente dönüşür.
Elektron Yakalama
Bir proton bir nötrona elektron yakalama yada K yakalama adı verilen süreçle de dönüşebilir. Bir çekirdek proton sayısı nötron sayısından çok fazla olduğu zaman, yörüngede bulunan elektronlardan birisi çekirdeğin içerisine düşer. Bu süreç sonunda çekirdeğin atom numarası bir azalır. Fakat proton ve nötronların toplam sayısı değişmez.
Nükleer Füzyon
Zayıf kuvvet, Güneş’e enerji veren füzyonda önemli bir rol oynar. Nükleer füzyonda ilk adım iki protonu yeterli bir enerji ile birbirine çarpıştırarak, aralarında ki elektromanyetik kuvvetten kaynaklanan itici kuvveti yenmektir. Eğer parçacıklar yeteri kadar birbirlerine yaklaşabilirlerse güçlü kuvvet onları bir arada tutabilir. Bu kararlı olan ve iki proton ve iki nötronu olan helyum çekirdeğine kıyasla , kararlı olmayan 2 protondan oluşan bir helyum çekirdeği oluşturur.
Bir sonraki adımda ise zayıf kuvvet işe dahil olur. Protonlardan birisinin beta ışıması sonucu nötrona dönüşür ve başka bir protonun daha eklenmesiyle, He3 çekirdeği oluşur. Son olarak başka bir proton eklenerek kararlı He-4 çekirdeği oluşur.
