| Zakaj šibka jedrska sila v Soncu spreminja protone v nevtrone (in pozitrone in nevtrine), da se ti lahko zlivajo z vodikovimi jedri? Kaj sili protone v razpad? |
Najprej pojasnimo, kako to, da lahko šibka jedrska sila, ali z nekoliko krajšo terminologijo šibka interakcija, pretvarja med protonom in nevtronom v različnih jedrskih procesih. Tovrstnih sprememb okusa delcev namreč ne opazimo pri nobeni drugi interakciji – močni jedrski sili, elektromagnetni interakciji ali gravitacijski interakciji. Pravimo, da ostale tri interakcije ohranjajo skupni okus delcev v procesu.
Osnovnia razlika med šibko interakcijo in ostalimi tremi interakcijami je, da je tu simetrija interakcije spontano zlomljena. Pojem spontane zlomitve je najlažje razložiti na nivoju osnovne teorije interakcij med delci, v tako imenovanem standardnem modelu, ki se ne ukvarja neposredno s protoni in nevtroni, pač pa s kvarki, iz katerih so protoni in nevtroni sestavljeni. Tako proton sestavljata dva u kvarka z nabojema po 2/3 e0 in en d kvark z nabojem -1/3 e0 (skupno je naboj +1 e0, torej naboj protona), nevtron pa sestavljata ravno obratno dva d kvarka in en u kvark (skupni naboj 0). Simbolno torej: p~uud, n~udd.
Šibka interakcija pretvarja med u in d kvarkom. Šibka interakcija namreč posreduje med u in d kvarkom, kot da sta to dve stanji istega delca. Kvark u se lahko pretvori v d kvark pri čemer izseva pozitivni W+ bozon, d kvark pa se pretvori v u kvark tako, da izseva W – bozon. Seveda vemo, da v naravi simetrija med u in d kvarkom ni popolna. Kvarka imata namreč različni masi, prav tako pa tudi naboja. Simetrija je namreč spontano zlomljena prek interkacije kvarkov s Higgsovim bozonom H, ki kvarkom podeli maso. Ta mehanizem spontane zlomitve še ni eksperimentalno potrjen. Higgsovega bozona namreč kot zadnjega delca standardnega modela še niso odkrili.
Sedaj pa nazaj k protonom in nevtronom. Ker šibka interakcija pretvarja med d in u kvarki, pretvarja tako tudi med protoni in nevtroni, v katere so kvarki vezani. Zamenjajmo u kvark v protonu z d kvarkom in že smo dobili nevtron. Razpad nevtrona poteka nekako takole: eden od d kvarkov v nevtronu izseva W bozon, se s tem pretvori v u kvark, W bozon pa v povprečju še predno zapusti na novo nastali proton razpade v elektron in elektronski antinevtrino. Opisana reakcija poteka sama od sebe, saj je nevtron težji od protona, tako da obstaja prebitek energije, ki se lahko sprosti pri razpadu. Razpadni čas nevtrona je tako okoli 890s.
Nasprotno proton ne more spontano razpasti na nevtron in pozitron ter nevtrino, saj ima manjšo maso kot je skupna masa končnih produktov. Lahko bi sicer razpadal tudi na kakšen drugačen način, recimo v pozitron in nevtralni pion kot to pričakujemo iz teorij velikega poenotenja, vendar pa so eksperimentalne meje na tovrstne razpade okoli 1034 let. Prost proton je tako najbolj obstojen sestavljen delec kar jih poznamo.
Lahko pa potekajo razpadu protona sorodne jedrske reakcije, ki jih zasledimo tudi v Soncu. Tako se namreč lahko zlijeta dva protona, ki imata dovolj veliko kinetično energijo v jedro devterija (nevtron in proton), pri čemer nastaneta še pozitron in nevtrino
V Soncu poteka še cela vrsta drugih interakcij, ki imajo kot končno posledico zlivanje vodika v helij. Pri tem se sprosti precejšnja količina energije, ki uhaja s Sonca v obliki svetlobe, nevtrinskega toka in sončnega vetra (nabitih delcev, ki jih bruha sonce v medplanetarni prostor).
