# Càrrega feble

En física nuclear i física atòmica, càrrega feble, o rarament càrrega feble neutra, es refereix a l'acoblament d'interacció feble del model estàndard d'una partícula al bosó Z. Per exemple, per a qualsevol isòtop nuclear donat, la càrrega feble total és d'aproximadament -0,99 per neutró i +0,07 per protó. També mostra un efecte de la violació de la paritat durant la dispersió d'electrons.
Aquest mateix terme també s'utilitza de vegades per referir-se a altres magnituds diferents, com ara isospin feble, hipercàrrega feble o l'acoblament vectorial d'un fermió al bosó Z (és a dir, la força d'acoblament de corrents neutres febles).

## Fórmules empíriques

Les mesures del 2017 donen la càrrega feble del protó com a 0,0719±0,0045.
La càrrega feble es pot sumar en nuclis atòmics, de manera que la càrrega feble prevista per a $^{133}$ Cs (55 protons, 78 neutrons) és 55×(+0,0719) + 78×(−0,989) = −73,19, mentre que el valor determinat experimentalment, a partir de mesures de paritat violant la dispersió d'electrons, va ser de −72,58.
Un estudi recent va utilitzar quatre isòtops parells de l'iterbi per provar la fórmula Q$_w$ = −0.989 N + 0.071 Z , per a càrrega feble, amb N corresponent al nombre de neutrons i Z al nombre de protons. La fórmula es va trobar consistent al 0,1% de precisió utilitzant els isòtops de $^{170}$ Yb, $^{172}$ Yb, $^{174}$ Yb i $^{176}$ Yb de l'iterbi.
A la prova d'iterbi, els àtoms van ser excitats per llum làser en presència de camps elèctrics i magnètics i es va observar la violació de la paritat resultant. La transició específica observada va ser la transició prohibida de 6s$^2$ $^1$S 0 a 5d6s$^3$D1 (24489 cm$^{−1}$). Aquest últim estat es va barrejar, a causa de la interacció feble, amb 6s6p$^1$P1 (25068 cm$^{−1}$) en un grau proporcional a la càrrega nuclear feble.

## Valors de partícules

Aquesta taula ofereix els valors de la càrrega elèctrica (l'acoblament al fotó, al qual es fa referència en aquest article com a $Q_{\epsilon }$. També s'enumeren la càrrega feble aproximada $Q_{\mathsf {w}}$ (la part vectorial de la Z acoblament del bosó als fermions), isospin feble $T_{3}$ (l'acoblament als bosons W), hipercàrrega feble $Y_{\mathsf {w}}$ (l'acoblament a la B bosó) i la Z aproximada factors d'acoblament del bosó ( $Q_{\boldsymbol {\mathsf {L}}}$ i $Q_{\boldsymbol {\mathsf {R}}}$ a la secció "Teòrica", a continuació).
Els valors de la taula són aproximats: són exactes per a les partícules les energies de les quals fan l'angle de mescla feble. $\ \theta _{\mathsf {w}}=30^{\circ }\ ,$ amb $\ \sin ^{2}\theta _{\mathsf {w}}={\tfrac {1}{4}}~.$ Aquest valor està molt a prop de l'angle típic aproximat de 29º observat en acceleradors de partícules.
| Espín J | Partícula(es) | Càrrega dèbil $Q_{\mathsf {w}}$ | Càrrega elèctrica $Q~{\mathsf {or}}~Q_{\epsilon }$ | Isospin dèbil $T_{3}$ | Isospin dèbil $T_{3}$ | Hipercàrrega dèbil $Y_{\mathsf {w}}$ | Hipercàrrega dèbil $Y_{\mathsf {w}}$ | Acoblament bosó Z | Acoblament bosó Z |
| Espín J | Partícula(es) | Càrrega dèbil $Q_{\mathsf {w}}$ | Càrrega elèctrica $Q~{\mathsf {or}}~Q_{\epsilon }$ | Isospin dèbil $T_{3}$ | Isospin dèbil $T_{3}$ | Hipercàrrega dèbil $Y_{\mathsf {w}}$ | Hipercàrrega dèbil $Y_{\mathsf {w}}$ | $2\ Q_{\boldsymbol {\mathsf {L}}}$ (sard) | $2\ Q_{\boldsymbol {\mathsf {R}}}$(sard) |
| Espín J | Partícula(es) | = 2 Q$_{(sard)}$ + 2 Q$_{(sard)}$ | Càrrega elèctrica $Q~{\mathsf {or}}~Q_{\epsilon }$ | (sard) | (sard) | (sard) | (sard) | $2\ Q_{\boldsymbol {\mathsf {L}}}$ (sard) | $2\ Q_{\boldsymbol {\mathsf {R}}}$(sard) |
| 1 /2 | e$^−$,μ$^−$, τ$^−$ electró, muó, tau | −1 + 4 sin$^2$ θ$_w$ | −1 | −  1 /2 | 0 | −1 | −2 | −1 + 2 sin$^2$ θ$_w$ | 2 sin$^2$ θ$_w$ |
| 1 /2 | u, c, t quarks | +1 −  8 /3 sin$^2$ θ$_w$ | +  2 /3 | +  1 /2 | 0 | +  1 /3 | +  4 /3 | 1 −  4 /3 sin$^2$ θ$_w$ | −  4 /3 sin$^2$ θ$_w$ |
| 1 /2 | d, s, b quarks | −1 +  4 /3 sin$^2$ θ$_w$ | −  1 /3 | −  1 /2 | 0 | +  1 /3 | −  2 /3 | −1 +  2 /3 sin$^2$ θ$_w$ | +  2 /3 sin$^2$ θ$_w$ |
| 1 /2 | ν$_e$, ν$_μ$, ν$_τ$ neutrins | +1 | 0 | + 1/2 | | −1 | 0 | +1 | 0 |
| 1 | g, γ, Z, gluó, fotó, bosó Z | 0 | 0 | 0 | 0 | 0 | 0 | 0 | 0 |
| 1 | W$^+$ bosó W | +2 − 4 sin$^2$ θ$_w$ | +1 | +1 | +1 | 0 | 0 | +2 − 4 sin$^2$ θ$_w$ | +2 − 4 sin$^2$ θ$_w$ |
| 0 | H$^0$ bosó Higgs | −1 | 0 | −  1 /2 | −  1 /2 | +1 | +1 | −1 | −1 |
Per concisió, la taula omet les antipartícules. Cada partícula llistada (excepte els bosons sense càrrega, el fotó, el bosó Z, el gluó i el bosó de Higgs que són les seves pròpies antipartícules) té una antipartícula amb massa idèntica i càrrega oposada. Tots els signes diferents de zero de la taula s'han d'invertir per a les antipartícules. Les columnes aparellades etiquetades LEFT i RIGHT per als fermions (les quatre files superiors), s'han d'intercanviar a més d'invertir els seus signes.
Tots els fermions esquerrans (regulars) i els antifermions dretans tenen $\ T_{3}=\pm {\tfrac {1}{2}}\ ,$ i, per tant, interactuen amb el bosó W. Se'ls podria referir com a mà "adequada". Els fermions de la mà dreta i els antifermions de la mà esquerra, en canvi, tenen zero isospin feble i, per tant, no interaccionen amb el bosó W (excepte per a la interacció elèctrica); per tant, es podrien anomenar "mans equivocades" (és a dir, són "mans equivocades" per a les interaccions W $^±$). Els fermions de mans "adequades" s'organitzen en doblets d'isoespina, mentre que els fermions de mans "equivocades" es representen com a singlets d'isospin. Tot i que les partícules de mà "equivocada" no interaccionen amb el bosó W (sense interaccions de corrent carregat ), tots els fermions de mà "equivocada" que se sap que existeixen interactuen amb el bosó Z ( interaccions de corrent neutre ).
Mai no s'han observat neutrins de mà equivocada (neutrins estèrils), però encara poden existir ja que serien invisibles per als detectors existents. Els neutrins estèrils tenen un paper important en les especulacions sobre la forma en què els neutrins tenen masses (vegeu el mecanisme Seesaw). La declaració anterior que el Z$^0$ interacciona amb tots els fermions necessitarà una excepció per als neutrins estèrils inserits, si mai es detecten experimentalment.
Els fermions massius, excepte (potser) els neutrins , sempre existeixen en una superposició d'estats esquerrans i dretans, i mai en estats quirals purs. Aquesta mescla és causada per la interacció amb el camp de Higgs, que actua com a font infinita i sumidor d'isospin feble i/o hipercàrrega, a causa del seu valor d'expectativa de buit diferent de zero (per a més informació vegeu el mecanisme de Higgs).

## Base teòrica

La fórmula per a la càrrega feble es deriva del model estàndard i ve donada per
$~Q_{\mathsf {w}}~=~2\,T_{3}-Q_{\epsilon }\,4\,\sin ^{2}\theta _{\mathsf {w}}~\approx ~2\,T_{3}-Q_{\epsilon }\;,\qquad {\mathsf {or}}\qquad ~Q_{\mathsf {w}}+Q_{\epsilon }~\approx ~2\,T_{3}~=~\pm 1;~$on$~Q_{\mathsf {w}}~$ és la càrrega feble, $T_{3}$ és la isospina feble, $\theta _{\mathsf {w}}$ és l'angle de mescla feble i $\,Q_{\epsilon }\,$ és la càrrega elèctrica. L'aproximació de la càrrega feble sol ser vàlida, ja que l'angle de mescla feble normalment és de 29° ≈ 30° , i $\ 4\sin ^{2}30^{\circ }=1\ ,$ i $\;4\sin ^{2}29^{\circ }\approx 0.940\ ,$ una discrepància de només una mica més d' 1 in 17 .

## Referències

* ↑ Androić, D.; Armstrong, D. S.; Asaturyan, A.; Averett, T.; Balewski, J. «Precision measurement of the weak charge of the proton» (en anglès). Nature, 557, 7704, 5-2018, pàg. 207–211. DOI: 10.1038/s41586-018-0096-0. ISSN: 1476-4687.
* ↑ Koshchii, Oleksandr «Weak charge and weak radius of C12». Physical Review C, 102, 2, 2020. DOI: 10.1103/PhysRevC.102.022501.
* ↑ «Precision Measurement of the Weak Charge of the Proton» (en anglès). [Consulta: 22 desembre 2024].
* ↑ «How many kinds of "weak charges" exist?» (en anglès). [Consulta: 22 desembre 2024].