A gyenge kölcsönhatás szerepe

A termonukleáris reakciókban az erős és elektromágneses kölcsönhatás mellett fontos szerepet játszik egy harmadik fajta kölcsönhatás is. Ez a gyenge kölcsönhatás. Nevét onnan kapta, hogy az ennek hatására végbemenő reakciók sebessége sokkal kisebb, mint a másik két kölcsönhatás okozta folyamatoké.

A gyenge kölcsönhatás alapvető folyamata a béta-bomlás:

$$n \rightarrow  p + e^- + \tilde{\nu_e}$$ (1.65)

ahol n a neutron, p a proton, $e^-$ az elektron, $\tilde{\nu_e}$ pedig az antineutrínó (pontosabban antielektron-neutrínó). A gyenge kölcsönhatás során is teljesülnek az alapvető megmaradási törvények: az elektromos töltés, a barionszám, a leptonszám és az energia megmaradása.

A fenti $\beta$-bomlás karakterisztikus ideje szabad neutronon kb. 10 perc. Összehasonlításképpen, az erős kölcsönhatással lejátszódó magreakciók átlagos ideje $10^{-22}$ s, míg az elektromágneses kölcsönhatás vezérelte folyamatok (foton-kisugárzás) ideje kb. $10^{-16}$ s. Látható, hogy a gyenge kölcsönhatás okozta reakciók sebessége sok nagyságrenddel kisebb.

Más, szintén a gyenge kölcsönhatás által vezérelt lehetséges reakciókat kaphatunk az (1.65) $\beta$-bomlás átrendezésével, oly módon, hogy ha egy részecskét a másik oldalra viszünk, akkor az antirészecskéjével helyettesítjük. Ugyanígy elvileg lehetséges a reakció irányának megfordítása is. Az így kapott folyamatok azonban csakis akkor valósulnak meg, ha teljesülnek rájuk a fenti megmaradási törvények. Például a $p \rightarrow  n + e^+ + \nu$ ($e^+$ a pozitron) protonbomlás az energiamegmaradás miatt szabad protonokon nem mehet végbe, hiszen a proton nyugalmi tömege kisebb, mint a neutroné. Viszont ha a proton kötött állapotban van az atommagon belül, akkor ez a reakció is végbemehet a kötési energia rovására.

A $p + e^- \rightarrow  n + \nu$ neutronkeltés (neutronizáció) szintén problémás, ugyanis a proton és az elektron nyugalmi tömege együttesen sem éri el a neutron nyugalmi tömegét. Ez a reakció is megvalósulhat azonban olyan extrém körülmények között, amikor az elektron igen nagy kinetikus energiája fedezi a reakció energiaszükségletét. Ez történik pl. nagyon nagy tömegű csillagok magjában, a vas-mag gravitációs összeomlásakor.

A gyenge kölcsönhatás okozta reakciók során általában neutrínó keletkezik. Ezek nagyon gyengén hatnak kölcsön a többi részecskével, gyakorlatilag akadálytalanul távoznak a csillag magjából. Az általuk elvitt energia csökkenti a reakció energiahozamát, ennek mértéke pl. fősorozati csillagokban elérheti az 5-10%-ot is.

A gyenge kölcsönhatás játszik vezető szerepet a neutronbefogásos reakcióknál is. Ezeknél a reakcióknál egy nagy tömegszámú (általában vasnál nehezebb) atommag fog be egy neutront, amely aztán kötött állapotban átalakul protonná, ezzel növelve a rendszámot. Ily módon lehetséges pl. a vasnál nehezebb elemek keletkezése. Mivel a vasnál nehezebb elemek fúziója energiabefektetést igényel (endoterm), a neutron kinetikus energiája fedezi az ehhez szükséges energiát. A reakciót lefolyását segíti, hogy a neutron elektromosan semleges, tehát az ütközésnél nincs Coulomb-gát, nem kell alagúteffektus.

A neutronbefogás egyszerűbb formája az s-folyamat (slow = lassú neutronbefogás). Ekkor a mag egy neutront fog be, és ez alakul át protonná: $(A,Z) + n \rightarrow  (A+1,Z) \rightarrow  (A+1, Z+1) + e^- + \tilde{\nu_e}$. Ez a reakció a 83-as rendszámú bizmutig képes nehéz magokat kelteni, ezután a magok $\alpha$-radioaktívak lesznek.

Az r-folyamatban (rapid = gyors neutronbefogás) egyszerre több neutron is befogódhat: $(A,Z) + N \cdot n \rightarrow  (A+N,Z) \rightarrow  (A+N,Z+N) + N\cdot e^- + N\cdot \tilde{\nu_e}$. Ezen a módon egészen A=260 tömegszámig keletkezhetnek nehéz elemek (e fölött a neutronbefogás maghasadást okoz). Az s-folyamat akár a hideg óriáscsillagok ritka légkörében is lejátszódhat, az r-folyamathoz szükséges nagy neutronsűrűség inkább csak szupernóva-robbanások során valósul meg.