הכוח החלש

הכוח החלש, או האינטראקציה החלשה, הוא אחד מכוחות היסוד של הטבע. הוא נקרא "חלש" מפני שעוצמתו נמוכה מזו של הכוח החזק. נשאי הכוח הם בוזוני W ו‑Z, שהם חלקיקים כבדים; בגלל מסתם הגבוה הכוח פועל רק למרחקים קצרים מאוד, קטנים מקוטר גרעין האטום. בין התופעות שהכוח החלש גורם לה נמצאת דעיכת בטא, צורת רדיואקטיביות.
הכוח החלש משפיע על כל הלפטונים והקווארקים. הוא הכוח היחיד, מלבד הכבידה (שאינה משמעותית בקנה־מידה תת־אטומי), שיכול לפעול על ניוטרינו. ניוטרינו הוא חלקיק קל מאוד, שקשה למדוד אותו.
האינטראקציה החלשה מאפשרת לחלקיקים להחליף אנרגיה, מטען חשמלי, מסה וטעם. "טעם" (flavor) הוא המונח שמתאר את סוג הקווארק או הלפטון. נקודת ההיכר של הכוח החלש היא יכולתו לשנות את הטעם של חלקיק, תהליך שלא קורה בכוחות אחרים.
בניגוד לכוחות אחרים, הכוח החלש אינו יוצר מצבים קשורים (bound states). לדוגמה, הכוח החזק יוצר האדרונים מקווארקים; האלקטרומגנטי יוצר אטומים ומולקולות; כבידה יוצרת מערכות אסטרונומיות. הכוח החלש לא בונה מבנים כאלה.
המודל התיאורטי של הכוח החלש התפתח מתאוריית פרמי של אינטראקציית ארבעה פרמיונים לתיאור מודרני שבו הבוזונים W ו‑Z נושאים את הכוח. בשל המסה שלהם, אורך החיים של הבוזונים קצר מאוד, ועל כן טווח ההשפעה של הכוח קטן מאוד. זאת מוסבר גם באמצעות עקרון אי־הוודאות הקוונטי.
דעיכת בטא היא דוגמה מרכזית לפעולתו של הכוח החלש. בקנה המידה התת־גרעיני קווארק בתוך נוקליאון (פרוטון או נייטרון) משנה את טעמו, והנוקליאון עצמו הופך מסוג אחד לאחר. כך משתנה גם המספר האטומי של האטום ביחידה אחת.
לדוגמה, ב דעיכת בטא פלוס (פליטת פוזיטרון), קווארק למעלה בתוך פרוטון הופך לקווארק למטה. כתוצאה מכך הפרוטון נהפך לנייטרון. בתהליך מתווך בוזון W החי קצרות חיים; הוא מתפרק לפוזיטרון ולניוטרינו אלקטרוני.
אפשר לתאר דעיכת בטא בשלוש רמות שקולות: רמת הקווארקים, רמת הנוקליאונים ורמת האטומים. חלק מהמספרים הקוואנטיים נשמרים, למשל המטען החשמלי והמספר הלפטוני. לעומת זאת, איזוספין (I3), מספר קוואנטי שקשור לטעם הקווארק, אינו נשמר, והוא משתנה ביחידה אחת בתהליך. שינוי זה הוא דוגמה לשבירת סימטריה המאפיינת את האינטראקציה החלשה.
בעבר חשבו שחוקי הטבע שומרים על זוגיות (parity), כלומר תוצאות ניסוי צריכות להיות זהות תחת השתקפות במראה. באמצע שנות ה‑50 הציעו יאנג ולי שהכוח החלש עשוי להפר את שימור הזוגיות. הניסוי של צ'ין שיונג וו מ‑1957 הראה שבאמת יש הפרת זוגיות. על כך קיבלו יאנג ולי את פרס נובל לפיזיקה לשנת 1957.
המודל המאוחד של הכוח האלקטרו‑חלש נוסח על ידי גלשאו, סלאם וויינברג, ועבודתם זיכתה אותם בפרס נובל ב‑1979. בוזוני W ו‑Z התגלו בניסוי ב‑CERN ב‑1983. גילוי זה הביא לפרס נובל לפיזיקה לשנת 1984 לקרלו רוביה וסימון ואן דר מיר.

הכוח החלש הוא אחד מארבעת הכוחות הבסיסיים בטבע. הוא חלש יותר מהכוח החזק. נשאי הכוח הם חלקיקים גדולים שנקראים W ו‑Z. בגלל שהם כבדים, הכוח פועל רק למרחקים מאוד קצרים.
הכוח החלש משפיע על קווארקים ולפטונים. קווארקים ולקפטונים הם חלקיקים שבונים אטומים. הכוח החלש יכול לשנות את "הטעם" של חלקיק. טעם (flavor) הוא סוג של קווארק.
הכוח הזה לא יוצר אטומים או חלקים קשורים. כוחות אחרים כן יוצרים דברים מקושרים, כמו אטומים ומולקולות.
אחת הפעולות המוכרות של הכוח החלש היא דעיכת בטא. בתהליך זה פרוטון יכול להפוך לנייטרון. במצב כזה נפליט פוזיטרון, שהוא חלקיק דמוי אלקטרון עם מטען חיובי, ונפליט גם ניוטרינו אלקטרוני. ניוטרינו הוא חלקיק קטן וקשה למצוא אותו.
באמצע המאה ה‑20 גילו מדענים שהכוח החלש לא שומר על "השתקפות במראה". זה היה מפתיע. אחר כך פיתחו תאוריה שמאחדת את הכוח החשמלי והכוח החלש. בוזוני W ו‑Z התגלו בניסויים ב‑CERN בשנות ה‑80.