Penyatuan
Elektro-lemah

Reputan beta dan interaksi lemah

Daya nuklear lemah bertanggungjawab terhadap reputan beta — proses di mana satu neutron mereput menjadi proton, elektron dan antineutrino. Ini berlaku kerana satu kuark down di dalam neutron ditukar menjadi kuark up melalui boson W⁻. Daya lemah ialah satu-satunya daya yang memecahkan simetri flavour kuark — iaitu yang mampu menukar satu jenis kuark kepada jenis yang lain.

Jarak capaian daya lemah amat pendek — hanya lebih kurang 10⁻¹⁸ meter, jauh lebih kecil daripada satu proton. Ini disebabkan oleh jisim besar boson pembawanya: W⁺, W⁻ dan Z⁰. Jisim ini merupakan kesan langsung daripada pemecahan simetri Higgs. Pada tenaga rendah, daya lemah oleh itu bertindak seolah-olah bertitik — begitulah ia digambarkan oleh Fermi dalam teori reputan betanya pada tahun 1934, tanpa mengetahui bahawa boson bertenaga jisim besar yang menjadi puncanya.

Satu lagi keistimewaan daya lemah: ia melanggar pariti secara maksimum. Ia hanya berpasangan dengan fermion kidal dan antifermion kanan. Kuark dan elektron kanan tidak mengambil bahagian dalam interaksi lemah. Pelanggaran pariti maksimum ini merupakan salah satu kejutan terbesar dalam fizik zarah abad ke-20.

Boson W dan Z

Boson W dan Z ditemui pada tahun 1983 di pelanggar proton-antiproton CERN (SppS) — tepat pada jisim yang diramalkan oleh teori elektro-lemah. Carlo Rubbia dan Simon van der Meer menerima Hadiah Nobel pada tahun 1984 atas penemuan ini. Ia merupakan bukti kukuh kuasa ramalan teori tersebut.

Glashow, Salam, Weinberg — satu daya daripada dua

Pada tahun 1960-an, Sheldon Glashow, Abdus Salam dan Steven Weinberg membangunkan secara berasingan satu teori yang menggambarkan elektromagnetisme dan daya lemah dalam satu kerangka bersama. Idea utamanya: kedua-dua daya ini merupakan manifestasi satu simetri tolok SU(2)×U(1) tunggal, yang terpecah sejurus selepas Big Bang.

Melebihi skala tenaga sekitar 100 GeV — yang boleh dicapai dalam pemecut moden — boson W dan Z bertindak seolah-olah tanpa jisim dan menjadi setanding dengan foton. Elektromagnetisme dan daya lemah menjadi tidak dapat dibezakan pada ketika itu. Pada tenaga rendah (dalam kehidupan seharian), pemecahan simetri Higgs memecahkan kesatuan ini: W dan Z memperoleh jisim, jarak capaian daya lemah runtuh, dan kedua-dua daya kelihatan sangat berbeza.

Teka-teki jisim neutrino

Dalam model elektro-lemah asal, neutrino tidak mempunyai jisim — ia wujud hanya dalam bentuk kidal dan hanya berpasangan dengan daya lemah. Namun eksperimen ayunan neutrino (SNO, Super-Kamiokande, Hadiah Nobel 2015) menunjukkan: neutrino bertukar antara tiga jenis flavournya — sesuatu yang hanya mungkin jika ia mempunyai jisim.

Jisim neutrino ini tidak terkandung dalam Model Piawai. Ia mengisyaratkan satu lanjutan — mungkin neutrino "steril" berkanan yang tidak berpasangan dengan daya lemah, atau sesuatu yang dipanggil mekanisme jungkat-jungkit (seesaw), yang menerangkan jisim neutrino yang amat kecil berdasarkan satu skala jisim baharu yang amat besar. Jisim mutlak setiap neutrino masih belum diketahui dengan tepat sehingga kini: pengukuran langsung (KATRIN, 2025) menetapkan had atas 0,45 eV/c² bagi jisim neutrino-elektron berkesan, manakala pemerhatian kosmologi (Planck, DESI) mengehadkan jumlah tiga jisim neutrino dengan jauh lebih ketat kepada bawah lebih kurang 0,07–0,12 eV/c². Kedua-duanya merupakan had atas — bahawa jisim ini lebih besar daripada sifar disimpulkan daripada eksperimen ayunan, bukan daripada pengukuran jisim secara langsung.