natuurwetten

Wat is de zwakke kernkracht?

Enorm filament op de Zon. Credit: SDO/NASA

De zwakke kernkracht is een van de 4 fundamentele krachten die alle materie in het heelal beheersen (de andere drie zijn zwaartekracht, elektromagnetisme en de sterke kernkracht). De andere krachten houden dingen samen maar de zwakke kernkracht speelt een grotere rol in dingen die uit elkaar vallen.

De zwakke kernkracht is sterker dan de zwaartekracht maar heeft alleen op zeer kleine afstanden effect. De kracht werkt op subatomair niveau en speelt een belangrijke rol in de energievoorziening van sterren en het maken van elementen. De kracht is ook verantwoordelijk voor de natuurlijke straling die in het heelal aanwezig is.

In 1933 bedacht de Italiaanse natuurkundige Enrico Fermi een theorie om bètaverval te verklaren. Bètaverval is het proces waarbij een neutron in een kern verandert in een proton en waarbij dan een elektron vrijkomt. Dat elektron wordt in deze context vaak het bètadeeltje genoemd. Fermi definieerde een nieuw type kracht, de zogenaamde zwakke interactie, die verantwoordelijk is voor verval en waarvan het fundamentele proces een neutron transformeert naar een proton, een elektron en een neutrino.

Fermi dacht oorspronkelijk dat het ging om een nul-afstand of houdkracht waarbij de twee deeltjes elkaar moesten raken om de kracht te laten werken. Sindsdien is aangetoond dat de zwakke kernkracht eigenlijk een aantrekkende kracht is die werkt op een extreem kort bereik van ongeveer 0,1% van de diameter van een proton.

Het Standaard Model

De zwakke kernkracht maakt deel uit va de heersende theorie van de deeltjesfysica die het Standaard Model wordt genoemd. Dit standaardmodel beschrijft de fundamentele structuur van de materie met behulp van een elegante reeks vergelijkingen. Onder het standaardmodel zijn elementaire deeltjes, dat zij de deeltjes die niet in kleinere deeltjes kunnen worden opgesplitst, de bouwstenen van het heelal.

Een van deze deeltjes is de quark. Wetenschappers hebben geen aanwijzingen gezien dat er iets kleiner is dan een quark maar ze zoeken er wel nog steeds naar. Er zijn 6 soorten of smaken quarks: op, neer, tover, vreemd, top en bodem (in oplopende volgorde van massa). De Engelse aanduidingen worden ook algemeen in het Nederlands gebruikt: up, down, charm, strange, top, bottom (de laatste twee worden ook wel truth en beauty genoemd). In verschillende combinaties vormen ze de verschillende soorten in de subatomaire dierentuin van deeltjes. Zo bestaan bijvoorbeeld protonen en neutronen, de grote deeltjes van een atoomkern, elk uit bundels van 3 quarks. Een proton bestaat uit twee ups en een down quarks en een neutron bestaat uit een up en twee down quarks. Door de smaak van een quark te veranderen kan een proton in een neutron veranderen waardoor een element in een ander element verandert.

Een ander type elementair deeltje is het boson. Dit zijn krachtdragers die bestaan uit energiebundels. Fotonen zijn een type boson; gluonen zijn een ander type boson. Elk van de vier fundamentele krachten is het resultaat van de uitwisseling van kracht-dragerdeeltjes. De stere kernkracht wordt gedragen door het gluon, terwijl de elektromagnetische kracht wordt gedragen door het foton. Het graviton is theoretisch het krachtdragende zwaartekrachtdeeltje maar het is nog niet aangetroffen dus er is nog geen onomstotelijk bewijs dat het bestaat.

W- en Z-bosonen

De zwakke kernkracht wordt gedragen door W- en Z-bosonen. Deze deeltjes werd in de jaren ’60 door de Nobelprijswinnaars Weinberg, Salam en Glashow voorspeld en in 1983 bij CERN ontdekt.

W-bosonen zijn elektrisch geladen en ze worden aangeduid met hun symbolen: W+ (positief geladen) en W- (negatief geladen). Het W-boson verandert de samenstelling van deeltjes. Door een elektrisch geladen W-boson uit te zenden verandert de zwakke kracht de smaak van een quark waardoor een proton verandert in een neutron of omgekeerd. Dit is wat kernfusie veroorzaakt en ervoor zorgt dat sterren “branden”. De “verbranding” creëert zwaardere elementen die uiteindelijk in supernova-explosies het heelal in worden geslingerd om zo de bouwstenen te worden voor planeten, planten, mensen en al het andere op Aarde.

Het Z-boson is neutraal geladen en heeft een zwakke neutrale stroom. De interactie met deeltjes is moeilijk te detecteren. Experimenten om W- en Z-bosonen te vinden leidden in de jaren ’60 tot een theorie die de elektromagnetische kracht en de zwakke kernkracht combineerde tot een verenigde “elektrozwakke” kracht. De theorie vereiste echter dat de krachtdragende deeltjes massaloos waren en wetenschappers wisten dat het theoretische W-boson zwaar moest zijn om rekening te houden met het korte bereik. Theoretici introduceerden een nieuw, nog ongezien mechanisme, het Higgs mechanisme om voor de massa van het W-boson te compenseren. Dit leidde ertoe dat er ook een Higgs boson moest bestaan. In 2012 meldden wetenschappers van CERN dat ze een nieuw deeltje hadden waargenomen dat overeenkomt met het uiterlijk en gedrag van een Higgs-boson.

Bètaverval

Het proces waarbij een neutron verandert in een proton en omgekeerd wordt bètaverval genoemd. Bètaverval treedt op wanneer in een kern met te veel protonen of te veel neutronen een van de protonen of neutronen wordt omgezet in de andere.

Bètaverval kan op twee manieren plaatsvinden. Bij β verval vervalt een neutron naar een proton, een elektron en een antineutrino. Bij β+ verval vervalt een proton naar een neutron, een positron en een neutrino. Een element kan veranderen naar een ander element als een van zijn neutronen spontaan verandert in een proton. Dit gebeurt dan door β- verval. Of als een van zijn protonen spontaan verandert in een neutron, dit vindt dan plaats door β+ verval.

Elektronen invangen

Door middel van een proces dat elektroneninvanging wordt genoemd kunnen protonen ook in neutronen veranderen. Als er een overmaat aan protonen is ten opzichte van het aantal neutronen in een kern lijkt een elektron, meestal eentje uit de binnenste elektronenschil, in de kern te vallen. Bij elektroneninvanging wordt een orbitaal elektron gevangen door de moederkern. Het product is dan een dochterkern en een neutrino. Het atoomnummer van de resulterende dochterkern is verminderd met 1 maar het totale aantal protonen en neutronen blijft gelijk.

Kernfusie

De zwakke kernkracht speelt een belangrijke rol bij kernfusie. Deze reactie drijft de Zon en kernbommen aan. De eerste stap in de fusie van waterstof is om twee protonen met zo veel energie tegen elkaar te knallen dat de wederzijdse afstoting die ze door de elektromagnetische kracht ervaren, te overwinnen. Als de twee deeltjes zicht genoeg bij elkaar kunnen worden gebracht dan kan de sterke kernkracht ze aan elkaar binden. Hierdoor ontstaat een instabiele vorm van helium (2He) die een kern heeft met twee protonen. De stabiele vorm van He (4He) heeft een kern met twee protonen en twee neutronen.

Bij de volgende stap is de zwakke kernkracht belangrijk. Vanwege de overvloed aan protonen ondergaat een van de twee protonen in de kern bètaverval. Daarna vinden er opeenvolgende reacties plaats waaronder de tussenliggende vorming en fusie van 3He en uiteindelijk het stabiele 4He.

Andere artikelen in deze serie:

  • De vier fundamentele natuurkrachten
  • Wat is de sterke kernkracht
  • Wat is de elektromagnetische kracht
  • Wat is de elektromagnetische kracht

Eerste publicatie: 9 september 2020
Bron: Livescience & anderen