Warum hat die schwache Kernwechselwirkung eine kürzere Reichweite als die starke Kernwechselwirkung?

Sie mischen hier zwei verschiedene Dinge.

Die starke Kraft wirkt nicht zwischen Protonen und Neutronen, sie wirkt zwischen Quarks. Als Nebeneffekt seiner Funktionsweise erzeugt es auch ständig neue Teilchen, Mesonen. Dieser Partikelerzeugungsprozess ist insofern konservativ, als wenn Sie alle erzeugten Partikel berücksichtigen, ihr Impuls, ihre Ladung, ihr Spin usw. sich zu Null addieren.

Es sind all diese Mesonen, die miteinander und mit den Quarks interagieren, die eine zweite Kraft hervorrufen, die Kernkraft . Es ist die Kernkraft, die "auf Protonen und Neutronen einwirkt, um sie innerhalb der Kerne aneinander gebunden zu halten", nicht die starke Kraft. Natürlich ist das eine das Ergebnis des anderen, also halb voll ... und deshalb sieht man es die starke Kernkraft oder die starke Wechselwirkung oder alle möglichen anderen Namen, nur um die Dinge zu verwirren .

Die Entfernung, über die die Kernkraft wirkt, ist einfach eine Funktion der Masse der Mesonen und der Unschärferelation; alle virtuellen Teilchen mit Masse haben eine maximale Lebensdauer, und wenn Sie einfach sehen, wie weit diese Mesonen in dieser Zeit gehen können, schwupps, bekommen Sie eine Distanz.

UPDATE: Mir ist aufgefallen, dass ich die Schließung verpasst habe.

Die schwache Kraft wird auch durch massive Teilchen vermittelt, die W's und Z's. Sie unterliegen damit, wie die Mesonen in der Kernkraft, den gleichen Reichweitenbeschränkungen aufgrund der Unschärferelation. Die Masse eines einfachen Mesons wie eines Pions beträgt jedoch etwa 100 MeV, während das Z satte 90 GeV beträgt. Das ist schwerer als ein ganzer Eisenkern! Nun mag es seltsam klingen, dass ein so schweres Objekt aus dem Nichts in etwas wie einem Heliumkern erzeugt werden kann, der viel leichter ist, aber das ist die ganze Idee der Unschärferelation, für eine sehr kurze Zeit ist dies erlaubt, und deshalb ist es so Die Reichweite ist so gering und die Reaktion im Vergleich so selten.

Die Reichweite der schwachen Wechselwirkung steht in direktem Zusammenhang mit der Masse der Eichbosonen, die sie aufgrund der (elektroschwachen) spontanen Symmetriebrechung erhalten, die dem Higgs-Feld einen Vakuum-Erwartungswert ungleich Null verleiht. Wikipedia hat mehr über die Theorie der elektroschwachen Wechselwirkung .

Eine Möglichkeit, die Beziehung zwischen der Masse des Kraftträgers und der Reichweite zu verstehen, besteht darin, die den massiven Bosonen entsprechende klassische Feldtheorie zu betrachten: Die Feldgleichung für das klassische Feld, das den massiven Teilchen entspricht, hat Lösungen, die von einer Quelle weg auf a exponentiell abfallen Skala umgekehrt proportional zur Masse (eine solche Beziehung wurde zuerst von Yukawa vorgeschlagen, der eine Theorie der Kernkräfte auf der Grundlage damals hypothetischer massiver Skalarteilchen erfand, ähnlich erhalten Photonen in Supraleitern eine effektive Masse und das elektrische Feld nimmt innerhalb von Supraleitern exponentiell ab).

Die ursprüngliche von Fermi vorgeschlagene Theorie des Beta-Zerfalls , die ein Vorläufer der modernen Theorie der schwachen Wechselwirkung ist, machte die Wechselwirkung zu einer Kontaktwechselwirkung zwischen den Fermionen, sodass sie zunächst mit einer Reichweite von Null modelliert wurde.

Obligatorischer Disclaimer: Die Antwort „warum“ die schwache Kraft eine so kurze Reichweite hat, kann nicht endgültig beantwortet werden, da wir diese Frage nur mit referenztheoretischen Modellen beantworten können und nichts beantwortet, warum die Natur so ist, dass sie sie beschreiben.

Schwache Kraft hat aufgrund ihrer extrem hohen Masse eine kurze Reichweite. Anders als die starke Kraft, die masselose Gluonen hat, hat die schwache Kraft massive W- und Z-Bosonen. Dadurch haben W- und Z-Bosonen eine kurze Reichweite und eine der schwächsten Kräfte.