Folytatás az első részből

A bejegyzés legvégén szereplő ábra  mutatja a W bozon pályáját és a tömeg fokozatos csökkenését, amíg az nem éri el az elektron tömegét és nem képződik egy elektron és egy (anti)neutrínó. A tau, müon és elektron tömeg eléréséhez közelítőleg egy fél-, egész illetve két fordulatra van szükség. A kísérletileg becsült élettartam a folyamat első szakaszára vonatkozhat, mert információval csak a kezdeti W bozonról rendelkezünk. A W bozon a fotonnal szemben azért rendelkezik  tömeggel, mert a rövid élettartam miatt ez a részecske véges tértartományon belül detektálható, a töltést az elektronhoz hasonlóan a Coriolis-erő hozza létre, mert ekkor a transzláció iránya merőleges a forgás tengelyére: F_Coriolis = ±ℏ.c/R²c . A két előjel a transzlációs mozgás két lehetséges irányának felel meg, az egyik a negatív töltésű W^-, a másik a pozitív W⁺. A részecskék rendkívül rövid élettartamát az okozza, hogy a spirális mozgás során a tömeg fokozatosan elvész, szemben a foton hengerpaláston történő mozgásával, amikor állandó marad a forgás sugara. A fotonok kölcsönhatás közvetítő szerepét az teszi lehetővé, hogy rendkívül széles frekvenciával rendelkeznek az egyes fotonok, ugyanakkor a W és Z  bozonok tömege és frekvenciája egy jól definiált érték, viszont „életpályájuk” során végigfutnak a különböző frekvenciájú állapotokon.  A tömeg teljesen nem veszhet el, mert ez a forgás leállása miatt egyúttal a töltés megszűnésével járna, ami pedig sértené a töltésmegmaradás elvét. Az impulzus megmaradás törvénye ugyanakkor megköveteli, hogy amikor a tömegveszteség elér egy kritikus mértéket létrejöjjön két fermion, egy elektron és egy (anti)neutrínó. Összehasonlítva a fotonokkal ott épp a forgástengely menti transzláció stabilizálja a forgási állapotot, amely tetszőleges energiát, azaz forgási frekvenciát enged meg. A rövid élettartam és nagy tömeg miatt a gyenge kölcsönhatás hatótávolsága kicsi, csak 10^-16 m távolságon belül hat és jelentős erőhatást R_c = 10^-17m  távolságban képes gyakorolni.

 Gyenge kölcsönhatás által létrehozott átalakulásokat nem csak olyan esetben lehet megfigyelni, amikor változik a részecskék töltése, hanem azonos töltésállapotú részecskék is átalakulhatnak egymásba, mint amikor a tau, vagy müon részecske alakul át elektronná, vagy a három neutrínó típus alakul át egymásba (neutrínó oszcilláció). A legutóbbi folyamatban, ahol töltéssel nem rendelkező részecskék alakulnak át egymásba, szintén van közvetítő, mégpedig a töltés semleges Z bozon, amelynek tömege (91,188 GeV) kissé nagyobb a W bozonoknál. A három különböző generációhoz tartozó kvarkok között olyan átalakulás is létrejöhet, amikor az izospin (up ill. down típus) nem változik, ezt a folyamatot is a semleges Z bozon közvetíti. Minden kvark átalakulás rövid hatótávolságú, ami a közvetítő részecske tömegétől függ, evvel van összhangban a Z bozon rendkívül nagy tömege. A Z bozon szintén a térpontok spirális mozgása, de ebben az esetben a jobb- és balsodrású spirális pályák szuperponálódnak és emiatt a töltés kompenzálódik.

A gyenge kölcsönhatás univerzális mikro folyamat, mert szerepet játszik minden részecske átalakulásában, beleértve a neutrinókat is. Ennek oka, hogy valamennyi részecske a téridő sajátforgásának egy-egy megnyilvánulása és a gyenge kölcsönhatás a sajátforgások frekvenciáját változtatja meg szemben a többi kölcsönhatással, amelyek mindig két különböző részecske – azaz forgási állapot – között teremtenek kapcsolatot. A saját forgás megváltozása úgy jelenik meg, mint az egyik részecske átalakulása egy másikba, például a down kvark alakul át up kvarkká, vagy a tauon illetve müon elektronná. Ennek során egyrészt a királis állapot, azaz a kettősforgások szimmetriája, másrészt a nyugalmi tömeg, azaz a sajátforgások frekvenciája módosul. A töltés megváltozása azonban nem mindig következik be, például amikor a müon, vagy tau részecske alakul át, ekkor a W^- képződését a lepton generációhoz tartozó neutrínó létrejötte kíséri, majd a W^- bozon elbomlik elektronra és (anti)neutrínóra. .

A W és Z bozonok kölcsönhatás közvetítő szerepe három tulajdonságra vezethető vissza: rendelkeznek S = 1 spinnel, hasonlóan a fotonokhoz, lehet töltésük is (W^- és W⁺), továbbá – ez  specifikus tulajdonságuk – van tömegük és ezt a tömeget, azaz  sajátforgásuk frekvenciáját változtatják, és ezáltal végigmennek azon a frekvenciaskálán, ami áthidalja az egymásba alakuló fermionok tömegének eltérését. A W és Z bozonok bomlási termékeit előéletük szabja meg, más részecskék jönnek létre, amikor a viszonylag kis tömegű (20 MeV) down kvark alakul át. Ekkor egy elektron és egy elektron típusú (anti)neutrínó jön létre, viszont a nagytömegű (1776,8 MeV) tau részecske átalakulását előmozdító W^- már nehéz részecskékre bomlik, ekkor kvarkok, müonok és müon típusú neutrínók képződnek. A szabályt úgy fogalmazhatjuk meg, hogy a W és Z bozonok csak „kölcsönveszik” az energiát a görbült térből, de elbomláskor hiánytalanul visszaadják azt. Voltaképpen ebben nyilvánul meg a bozonok virtuális jellege, amelyek úgy hoznak létre „ingadozásokat” a kölcsönhatási mezőben, hogy közben az átlagérték zérus marad. Ezt a jelenséget nevezi a QED vákuumingadozásnak. A tömegnövekedés tehát ideiglenes, ami magyarázza a Standard Modell lepton-megmaradás törvényét. Emellett szintén megmarad az átalakulási folyamatban a spin z komponense (M kvantumszám) és a töltés mennyisége. Ennek megfelelően, ha a béta bomláskor a neutron, illetve down kvark spinje M =1/2 volt, akkor a képződő bozon spin komponense M = 1, míg az (anti)neutrínóé M = -1/2, azaz a neutrínó jól meghatározott spin polarizációval rendelkezik.

A W és Z bozonok sajátmozgása során fellép egy harmadik típusú tehetetlenségi erő is a forgási frekvencia változása miatt, amit Euler-erőnek nevezünk:

Ennek iránya ellentétes a centrifugális erővel és fénysebességgel táguló spirálmozgás esetén azt teljes mértékben kompenzálja, azaz radiális irányban nem lép fel tehetetlenségi erő. Ez az ω(t).r(t) = c relációból következik, mert a szorzat állandósága miatt

  ,

továbbá a forgó rendszerekben a tömeg és kerületi sugár invarianciája szerint m.r = ℏ.c. Ekkor az Euler-erő független lesz a tömegtől és megegyezik az erős gravitációval:

Miként a Coulomb-erőt a Coriolis-erőből származtattuk, úgy a gyenge kölcsönhatás az Euler-erőre vezethető vissza. Mindkettő arányos az erős kölcsönhatással, de a gyenge kölcsönhatás arányossági tényezője jóval kisebb, mint a Sommerfeld-féle finom-kölcsönhatási állandó, azaz 1/137.

A legújabb kori fizika egyik jelentős felismerése volt, hogy az elektromágneses és gyenge kölcsönhatás közös alapokra fektethető, amit elektro-gyenge kölcsönhatásnak neveztek el. Az elmélet alapjait Glashow, Salam és Weinberg dolgozták ki. A felfedezés azért meglepő, mert két annyira különböző típusú erőről van szó, hiszen az elektromágneses kölcsönhatás végtelen hatótávolsága és rendkívüli ereje épp az ellentéte a rövid és sok-sok nagyságrenddel gyengébb másik kölcsönhatásnak. Ráadásul az első esetben a részecskék vonzó és taszító hatásáról van szó, a másikban pedig a részecskék átalakulásáról. A kvantum elektrodinamika szerint a virtuális fotonok emissziója és abszorpciója közvetíti a kölcsönhatást, a gyenge kölcsönhatás elméletében hasonló szerepet tölt be a két W és a Z bozon. Az elektro-gyenge kölcsönhatás elméletében az említett négy közvetítő részecske egyenrangú szerepet játszik rendkívül eltérő tulajdonságaik ellenére, hiszen a foton sem töltéssel, sem tömeggel nem rendelkezik. Az ősrobbanás utáni korai időszakban, ahol itt az időskálán 10^-25 másodpercnél is rövidebb időt kell érteni, egyenrangú szerepet töltött be négy kölcsönhatási bozon, ekkor egyiküknek sem volt tömege. Az univerzum tágulásával szűnt meg az ekvivalencia, amikor szétvált az elektromágneses és a gyenge kölcsönhatás, ennek folyamán a W és Z bozonok tömegre tettek szert, míg a foton megmaradt tömeg nélküli részecskének. 

 Ez a kozmológiai elképzelés lefordítható a részecskéket mint a tér forgásait értelmező modell nyelvére. Az Univerzum tágulását úgy foghatjuk fel mint a téridő-részecske önépítési folyamatát, amin belül a sajátforgások egymáshoz képesti távolsága növekszik saját méretükhöz, azaz Compton-sugarukhoz képest. A tágulás sebességét a fénysebesség határozza meg, hiszen addig terjed az Univerzum, ameddig a fotonok és egyéb részecskék eljuthatnak. Az Univerzum növekedését nem úgy kell elképzelni, hogy az a tartályként felfogott tér egyre nagyobb tartományát tölti ki, mert maga a tér is a lokális forgások, tehát a részecskék révén alakul ki. Ahhoz, hogy sajátforgásokról és hozzá kapcsolt térgörbületről egyáltalán beszélni lehessen legalább annyi időre van szükség, amíg a részecske megtesz egy fordulatot, ami W és Z bozonoknál nagyságrendben 10^-26 másodperc. Amíg ennél „fiatalabb” az Univerzum, addig a tér görbületei sem alakulhattak ki, és nem beszélhetünk a transzláció és a forgástengely irányáról sem. Ebben a korai szakaszban a W és Z bozonok élettartama is elég hosszú ahhoz, hogy „bejárják” a teljes Univerzumot, és így nem alakulnak ki a tömeg képződéséhez szükséges elkülönült tértartományok. Emiatt a téridő szerkezete még szimmetrikus, a négy kölcsönhatási bozon szerepe nem különül el és nincs tömegük sem. Amikor már átlépi az Univerzum kora a 10^-25 s határt a szóban forgó részecskék teljes fordulatot tehetnek meg, és az általuk elért távolság már kisebb lesz az Univerzum méreténél, következésképp megalakulnak a W és Z bozonok, létrejön a téridő forgásokat stabilizáló görbülete, azaz kettéválik a fizikai világ két alapvető megjelenési formája: a részecskéké ás a görbült téridőé. Ekkor a bozonok már nem tudják rövid élettartamuk miatt bejárni az egész Univerzumot és ezáltal tömegre tesznek szert.

Térjünk még ki az ősrobbanás egyik sokat vitatott problémájára: hogyan jöhetett létre az anyag és antianyag aszimmetriája, hogyha minden párkeltési folyamatban egyforma számban keletkeznek részecskék és antirészecskék. A mai Univerzumban, legalább is annak számunkra elérhető tartományban mindenütt az anyagot találjuk meg, és az antianyag csak addig marad meg, amíg nem ütközik anyaggal. Az aszimmetria oka a spontán részecskeképződés lehet, ha ennek során létrejönnek aszimmetrikus részecske párok is, például egy elektron képződése egy protonéval jár együtt és nem egy pozitronéval. Ilyen típusú pár azért keletkezhet, mert a teljes fizikai rendszerben, amiben a térgörbület potenciális energiája is benne van, a téridő teljes energiája a folyamat bekövetkezése után is nulla marad. Ugyanez vonatkozik az impulzusra is, mert a téridő görbületi struktúrája negatív tömeggel és emiatt negatív impulzussal rendelkezik, amely a részecskék pozitív impulzusával együtt már nullára egészül ki, tehát a részecskék képződésekor nem sérül sem az energia, sem az impulzus megmaradás törvénye. Ugyanakkor a kiralitás és az impulzusmomentum nem változhat meg a párképződéskor, mert ezekkel a fizikai tulajdonságokkal nem rendelkezik a görbült téridő háttérvilága. Ez azt jelenti, hogy a képződő részecske párokban az elektromos töltés és spin ellentétes előjelű lesz. Ez viszont megengedi a tömeg szempontjából aszimmetrikus párok képződését csupán a kiralitásnak, illetve töltésnek kell megmaradni. Az Univerzumban ezért nem az anyag és antianyag van egyensúlyban, hanem a pozitív és a negatív töltések, amit  a jobb- és balsodrású királis állapotok egyensúlyaként értelmezünk. Az ősrobbanás kezdő aktusa azt dönti el, hogy a nagyszámú párképződés során a statisztikai véletlen miatt az elektronok és protonok, vagy a pozitronok és antiprotonok kerülnek-e túlsúlyba a korai Univerzumban.

A blog további begyzéseinek összefoglalóját lásd "Paradigmaváltás a fizikában"

 A W bozon spirálmozgása logaritmikus ábrázolásban, a nyilak mutatják azt a pozíciót, ahol a csökkenő tömeg megegyezik az elektron (piros), a müon (zöld) és a tau (fekete) részecske tömegével