Elkarrekintza nuklear ahul

**Elkarrekintza ahula**, **elkarrekintza nuklear ahula**, **indar ahula** edo **indar nuklear ahula** ere baderitzona, partikula subatomikoen arteko elkarrekintza-mekanismoa da. Gaur egun, ***elkarrekintza ahula*** terminoa hobesten da, inguruko hizkuntzetan egiten den antzera —"weak interaction" ingelesez, "interacción débil" gaztelaniaz, eta "interaction faible" frantsesez—, zeren, efektu erakarle edo aldarazleak sortzeaz gain, elkarrekintza ahulak partikulen izaera-aldaketa ere sor baitezake. Bestalde, "ahul" deritzo beraren indarra elkarrekintza nuklear bortitzean agertzen den indarra baino 10^{13} aldiz txikiagoa delako. Elkarrekintza ahula irismen oso laburrekoa da: 10^{-18} \text { m}; nolanahi ere, distantzia txiki horietan, elkarrekintza grabitatorioa baino askoz intentsoagoa da. Indar nuklear ahulak garrantzi handia du fisio nuklearrean, zeren nukleoaren eremu oso txikietan eragiten baitu, distantzia subatomikoetan hain zuzen ere. Naturan ageri diren lau oinarrizko elkarrekintzetako bat da elektromagnetismo, indar nuklear bortitz eta grabitazioarekin batera.

Elkarrekintza ahularen efekturik ezagunenak beta desintegrazioa eta erradioaktibitatea dira. Halaber, izarretan gertatzen den fusio nuklearraren jatorrian ere badago. Elkarrekintza ahulak eragina du fermioi ezagun guztietan, hala nola elektroi, quark eta neutrinoetan.

Partikulen Fisikako Eredu Estandarrean, elkarrekintza ahula W eta Z bosoien partekatzearen ondorioa dela esaten da. Hauek energia oso altuetan gauzatzen direnez, Heisenberg-en ziurgabetasun-printzipioari jarraituz, hots,

\Delta E \cdot \Delta t \geq \frac{\hbar}{2} ,

erreakzioak oso bizitza laburrekoak izaten dira.

## Elkarrekintza ahularen historia laburra 
thumb|144x144px|Henry Becquerel|alt=|ezkerreraElkarrekintza ahularekin erlazionaturiko fenomenoak ezezagunak ziren XIX. mendearen bukaera arte, Henry Becquerel-ek (1852-1908) 1896an aurkitu baitzuen *erradioaktibitatea* izeneko fenomeno berria. Hortik aurrera, arlo horretako garapena gertatu zen, eta hainbat ikerkuntza egin ziren fenomeno berri hori ulertzeko, fisika nuklearra garatzeko eta fenomeno berriak azalduko zituen teoria egokia osatzeko. Atal honetan, elkarrekintza ahularen teoria osatzeko bidean emaniko pauso batzuk aipatuko dira.
ezkerrera|thumb|164x164px|Enrico Fermi

### Beta erradioaktibitatea azaltzeko lehenengo teoria 
Esan bezala, erradioaktibitatea 1896an aurkitu zen, eta, handik gutxira, 1898an, Rutherford (1871-1937) konturatu zen uraniodun mineral batean bi erradiazio desberdin emititzen zirela, *alfa* (α) eta *beta* (β) motako erradioaktibitateak deituko zirenak. Geroago, XX. mendearen lehen laurdenean, hainbat aurrerapen egin ziren prozesu erradioaktiboetan gertatzen ziren energia-galerak ezagutzeko. Horietan oinarriturik, 1930ean, Wolfgang Pauli-k (1900-1958) iradoki zuen partikula neutro oso arina baina ordura arte behatu gabea emititu behar zela, geroago *neutrinoa* deituko zena. Datu horiek kontuan izanik, 1933an, Enrico Fermi (1901-1954) fisikari italiarrak β erradioaktibitatearen teoria proposatu zuen. Teoria horrek lau fermioirekin (neutroia, protoia, elektroia eta neutrinoa) gertaturiko elkarrekintzak aurreikusten zituen, nolabait elkarrekintza ahularen lehen bertsioa osatuz.
ezkerrera|thumb|152x152px|Chien Shiung Wu

### Simetria-hausketa 
Ispilu arrunt baten begiratzen badugu, izadiaren legeek berdinak izaten jarraitzen dute. Hau da, edozein esperimentutan espazio euklidear guztiak inbertituz gero, neurketak mantendu egiten dira normalean. Fenomeno horri, paritatearen kontserbazio-legea deritzo. Lege hori, grabitazio klasikoaren eta elektromagnetismoaren teorietan, errespetatu egiten da; beraz, lege unibertsala zela uste izan zen denbora luzez.
thumb|220x220px|Chien-Shiung Wu 1963an Colombiako unibertsitatean.|alt=
Hala ere, 1950eko hamarkadan zehar, Chen Ning Yang-ek eta Tsung-Dao Lee-k, kalkulu matematikoan oinarrituz, elkarrekintza nuklear ahulean lege hori apur zitekeela esan zuten. Geroago, 1957an hain zuzen, Chien Shiung Wu-k eta haren lankideek Lee-k eta Yang-ek aurresandakoa esperimentalki frogatzeko gai izan ziren. Horri esker, aipatutako ikertzaile-taldeak 1957ko Fisikako Nobel Saria irabazi zuen. 

Elkarrekintza ahula lau fermioiren arteko kontaktu-elkarrekintza moduan azaltzen bada ere (Fermiren teoria), paritatearen apurketaren frogapenak ikuspuntu berri bat eskatzen zuen. Horri erantzuna ematekotan, 1957. urtean, Robert Mershak-ek, George Sudarshan-ek eta, geroago, Richard Feynman-ek eta Murray Gell-Mann-ek **V-A** (Bektore bat ken bektore axial edo lebogiro bat) lagrangearra proposatu zuten elkarrekintza ahulak azaltzeko. Proposamen horren arabera, elkarrekintza ahulak partikula lebogiroetan eta antipartikula destrogiroetan soilik dauka eragina. Partikula lebogiro baten ispilu-irudia partikula destrogiro bat denez (eta alderantziz), Fermiren teoria horrek paritatearen apurketa azaltzen du.

Hala ere, teoria horrek CP simetriaren kontserbazioa ahalbidetzen du. CP simetria bi simetria motaren konbinazioa da: P simetria (ispilu-inbertsioa) eta C simetria (partikula-antipartikula trukatzea). Baina ezusteko berri bat izan zuten fisikariek 1964. urtean. James Cronin-ek eta Val Fitch-ek kaoi baten desintegrazioa burutu zutenean, argi ikusi zen CP simetria apurtu egin zitekeela. Horri esker, Nobel Saria irabazi zuten 1980an.
### Elkarrekintza ahula azaltzeko teoria bateratua 
Simetria-hausturaren aurkikuntzak areagotu egin zuen arlo horretako ikerkuntza teorikoa, eta, Richard Feynman (1918-1988) eta Murray Gell-Mann-en (1929-2019) bultzadarekin, proposamenak egin ziren Fermiren teoria aldatzeko bi hamarkadatan zehar.  Azkenean, urte horietan eginiko lanaren emaitza modura, 1968an, Sheldon Lee Glashow (1932), Abdus Salam (1926-1996) eta Steven Weinberg (1933) lankideek indar elektromagnetikoaren eta elkarrekintza ahularen teoriak bateratu zituzten. 
Fitxategi:Steven Weinberg 2010.jpg| Steven Weinberg
Fitxategi:Sheldon Glashow at Harvard cropped.jpg|Sheldon Glashow
Fitxategi:Professor Abdus Salam.gif|Abdus Salam

Frogatu zutenez, bi indarrok indar bakar baten bi aldaera dira, orain indar elektroahula deritzona, eta, horri esker, 1979an, hirurok batera Fisikako Nobel saria jaso zuten elkarreragin ahularen eta interakzio elektromagnetikoaren arteko bateratze teorikoari egindako ekarpenengatik. Hala, ***elkarrekintza elektroahularen eredu estandarra*** sortu zuten. Haren existentzia bi etapatan frogatu zen esperimentalki. Lehenik eta behin, 1973an korronte neutroak aurkitu ziren. Gero, 1 W eta Z bosoien frogatu zen teorikoki, baina horien existentzia ez zen 1983. urtera arte berretsi esperimentu bidez. Hain zuzen ere,1984an, Carlo Rubbia-k (1934) eta Simon van der Meer-ek (1925-2011) Fisikako Nobel Saria jaso zuten esperientzia horiekin egindako ekarpenagatik.

## Ezaugarriak 
thumb|right|280px|Kargatutako interakzio ahularen ondoriozko desintegrazio-bideak irudikatzen dituen diagrama eta haien probabilitatearen zantzuren bat. Lerroen intentsitatea CKM parametroak ematen du.
Elektrikoki kargatutako interakzio ahula berezia da hainbat alderditan:
* Quark eta leptoien zaporea alda dezakeen elkarrekintza bakarra da (hau da, quark mota bat beste batean aldatzea).
* **P** edo pareko simetria urratzen duen elkarrekintza bakarra da. Gainera, karga-paritatearen **CP** simetria urratzen duen bakarra da.
* Bai elektrikoki kargatutako elkarrekintzak, bai elektrikoki neutrokoak masa esanguratsuak dituzten indar-eramaile partikulen bitartez (hedatu) dira, Eredu Estandarrean Higgs mekanismoaren bidez azaltzen den ezaugarri ezohikoa.

Beren masa handia dela eta (90 GeV/c2 gutxi gorabehera) W eta Z bosoi izeneko partikula garraiatzaile horiek iraupen laburra dute 10-24 segundo baino gutxiagoko bizitzarekin. Interakzio ahulak 10−7 eta 10−6 arteko akoplamendu-konstantea du (interakzioaren zenbateko maiztasunaren adierazlea), 10−2 inguruko akoplamendu elektromagnetikoko konstantearekin eta 1-eko elkarrekintza sendoko akoplamendu-konstantearekin alderatuta; ondorioz, interakzio ahula, izan ere, *ahula* da intentsitate aldetik. Elkarrekintza ahulak irismen eraginkor oso laburra du (10−17 eta 10−16 m inguru). 10−18 metro inguruko distantziara, ahulak. elkarrekintzak indar elektromagnetikoaren antzeko intentsitatea du, baina, distantzia handituz gero, murrizten hasten da esponentzialki. Magnitude orden eta erdi eskalatuta, 3×10−17 m inguruko distantziara, elkarrekintza ahula 10.000 aldiz ahulagoa da.

Interakzio ahulak Eredu Estandarreko fermioi guztiei eragiten die, baita Higgs bosoiari ere; neutrinoek grabitatearen eta elkarrekintza ahulen bidez soilik elkarreragiten dute. Elkarrekintza ahulak ez du lotura-egoerarik sortzen, ezta lotura-energiarik ere; grabitateak, eskala astronomikoan egiten duen zerbait, indar elektromagnetikoak maila molekularrean eta atomikoan egiten du, eta indar nuklear indartsuak maila azpiatomikoan bakarrik egiten du, nukleoen barruan.

Beraren efektu nabarmenena haren lehen ezaugarri bereziari zor zaio: interakzio ahulak eta kargatuak zapore aldaketa eragiten du. Adibidez, neutroi bat protoi bat baino astunagoa da (bere kide nukleoia), eta protoi batean desintegra daiteke bere behe quark baten zaporea (mota) goi quark batera aldatuz. Ez elkarrekintza sendoak ez elektromagnetismoak ez dute zaporea aldatzea ahalbidetzen, beraz, hori desintegrazio ahulean bakarrik egin daiteke; desintegrazio ahula izan gabe, quark propietateak, hala nola bitxikeria eta xarma (hurrenez hurren, quark arraroarekin eta xarma quarkarekin lotutakoak) elkarrekintza guztietan mantenduko lirateke.

Mesoi guztiak ezegonkorrak dira desintegrazio ahulagatik Beta desintegrazio gisa ezagutzen den prozesuan, neutroiaren behe quark bat goi quark bihur daiteke W− bosoi birtual bat igorriz, gero elektroi eta elektroi antineutrino batean desintegratzen dena. Adibidez, pioi neutro bat elektromagnetikoki desintegratzen da, eta, beraz, 10-16 segundo inguruko bizitza du. Aitzitik, kargatutako pioi bat elkarrekintza ahulen bidez bakarrik desintegra daiteke, eta, beraz, 10-8 segundo inguru bizi da, edo pioi neutro bat baino ehun milioi aldiz gehiago bizi da

Quarken ereduaren bitartez, azpiegitura duten barioiak eta mesoiak (edo, beste hitzetan esanda, hadroien multzo osoa) era sinplean deskribatzen dira quarkak eta horien arteko elkarrekintzak erabiliz. Murray Gell-Mann-ek eta George Zweigek, nork bere aldetik, proposatu zuten quarken eredua 1964. urtean.

##### Leptoiak 
Leptoiak fermioien familiako oinarrizko partikulen familia baten parte dira. Quark-ak bezala, fermioiak dira, baina, quarkak ez bezala, ez dute elkarrekintza bortitzik jasaten.
thumb|160x160px|Satyendra Nath Bose
Leptoiek ez dute karga hadronikorik edo kolorezkorik. Sei motatako leptoi existitzen dira, eta bakoitzak bere antipartikula du: elektroia, muoia, taua eta horietako bakoitzari lotutako hiru neutrino. Elektroiak, muoiak, eta tauak karga elektrikoa dute, eta \pm1/2 balioko spina dute; neutrinoek ez dute kargarik, eta 1/2 balioko spina dute.

#### Bosoiak 
Eredu estandarraren arabera, oinarrizko lau gauge-bosoi daude: fotoiak, gluoiak eta \text{Z} eta \text {W} bosoi izenekoak. Horiez gain,berriki aurkitutako Higgs bosoia eta grabitoia (oraindik hipotesi modura proposatua) ere hartu behar dira kontuan. Bosoi izena Satyendra Nath Bose (1894-1974) fisikari bengalarraren omenez jarri zitzaien. Bosoi horiek dira oinarrizko lau elkarrekintzetan parte hartzen dutenak: fotoiek elkarrekintza elektromagnetikoan, gluoiek elkarrekintza nuklear bortitzean; Z eta W bosoiek ekarrekintza ahulean; oraindik detektatu gabeko grabitoiak elkarrekintza grabitatorioan.
thumb|220x220px|François Englert eta Peter Higgs
Aipamen berezia merezi du Higgs bosoiak. Peter Higgs-en omenez jarri zitzaion izena; izan ere, beste batzuekin batera, 1964an, hark proposatu zuen gaur egun Higgs-en mekanismoa deritzona oinarrizko partikulen masaren jatorria azaltzeko. Askoz geroago, 2012ko uztailaren 4an, Ikerketa Nuklearrerako Europako Kontseilua (CERN) izeneko erakundeak partikula berri baten behaketa lortua zela iragarri zuen, «*Higgs-en bosoiarekin bat zetorrena*». Baina oraindik denbora eta datu gehiago behar ziren hori baieztatzeko. Azkenik, 2013ko martxoaren 14an, aurreko urteko uztaileko aurkikuntzan erabilitako datuak baino bi aldiz gehiago izanik, CERNek egiaztatu zuen partikula berria Higgs bosoiaren antz handia zuela. Eta, 2013ko urriaren 8an, Fisikako Nobel Saria eman zioten Peter Higgs-i, François Englert-ekin batera, «*partikula subatomikoen masaren jatorria ulertzen laguntzen digun mekanismo baten aurkikuntza teorikoagatik, eta duela gutxi Hadroien Talka-eragingailu handian ATLAS eta CMS esperimentuek iragarritako oinarrizko partikularen detekzioari esker*».

## Elkarrekintza ahularen azalpena eredu estandarrean 
Partikulen fisikaren Eredu Estandarrean, W+, W− eta Z bosoien trukeak eragiten du elkarrekintza ahula. Eraginik ezagunena, β erradioaktibitatea da. Partikula gehienak elkarrekintza ahulak eragindako desintegrazioaren mende daude. \text {W} eta \text {Z} bosoiek oso masa handia dute, eta horregatik dute oso irismen laburra. Bestalde, elkarrekintza ahularen intentsitatea elkarrekintza elektromagnetikoarena eta elkarrekintza nuklear bortitzarena baino askoz txikiagoa izan da zenbait magnitude-ordenatan. Hortik datorkio "ahul" adjektiboa.

Partikulen fisika Eredu Estandarrak interakzio elektromagnetikoak, ahulak eta indartsuak, ulertzeko esparru uniforme bat eskaintzen du. Elkarreragin bat gertatzen da bi partikulek (normalean, baina ez derrigorrez, erdi oso diren spin fermioiak) spin-oso indarra duten bosoiak trukatzen dituztenean. Truke horietan parte hartzen duten fermioiak oinarrizkoak (adibidez, elektroiak edo quarkak) edo konposatuak (esaterako, protoiak edo neutroiak) izan daitezke, nahiz eta, maila sakonenetan, elkarrekintza ahul guztiak oinarrizko partikulen artekoak izan azken finean.

Elkarrekintza ahulean, fermioiek hiru indar-eramaile truka ditzakete, hots, W+, W− eta Z bosoiak. Bosoi horien masak protoi edo neutroi baten masa baino askoz handiagoak dira, indar ahularen tarte laburrarekin bat datorrena. Izan ere, indarrari ahula deritzo edozein distantziatan duen eremu-intentsitatea, normalean, indar elektromagnetikoarena baino magnitude-ordena txikiagoa duelako, hau da, indar nuklear indartsua baino magnitude ordena txikiagoa.

Elkarekintza ahula paritate-simetria hausten duen oinarrizko interakzio bakarra da, eta, modu berean (baina askoz ere gutxiagotan), karga-parekidetasunaren simetria hausteko elkarrekintza bakarra.

Partikula konposatuak osatzen dituztenak, hala nola Quarkak, neutroiak eta protoiak, sei *zapore* dituzte (goi, behe, arraro, xarma, goiko eta beheko), eta partikula konposatu horiei propietateak ematen dizkiete. Elkarreragin ahula berezia da, quark-ek beren zaporea beste batekin trukatzeko aukera ematen baitu. Propietate horien trukea indar-eramaileen bosoien bitartez egiten da. Esaterako, beta-minus desintegrazioan, neutroi baten barruan dagoen behe quark bat goi quark bihurtzen da horrela neutroia protoi bihurtuz, eta, hala, elektroi baten eta elektroi antineutrino baten igorpena eragiten du.

Interakzio ahula garrantzitsua da izar batean ematen den hidrogenoa helioan fusioan. Hori da protoi bat (hidrogenoa) neutroi bihur dezakeelako deuterioa eratzeko, eta hori garrantzitsua da fusio nuklearraren jarraipenerako helioa sortzeko. Neutroien metaketak izar batean, nukleo astunak sortzea errazten du erlazionatutako eremuan (baina ez antzeko erradio-lumineszentzia).

Indar elektroahula hasierako unibertsoko quark garaian indar elektromagnetiko eta ahuletan banatu zela uste da.

### Elkarrekintza ahularen propietateak 
Quarkei eta ezkerreko kiralitatea duten leptoiei eragiten die elkarrekintza ahulak. Grabitateaz aparte, neutrinoen gainean eragiten duen indar bakarra da. Horrez gain, badaude elkarrekintza nuklear ahulak soilik erakusten dituen propietate berezi batzuk:
# Quarken zaporea alda dezakeen elkarrekintza bakarra da.
# Paritate-simetria apurtzen duen elkarrekintza bakarra da, 1957. urtean C.-S. Wu-k kobaltoaren esperimentuan frogatu zuen moduan.
# Masa handiko partikula indar-eramaleen (gauge bosoiak) bidez hedatzen da elkarrekintza ahula, eta hori nahiko ezaugarri ezohikoa da. Hori azaldu ahal izateko, Eredu Estandarrean aurki dezakegun Higgsen Mekanismora jo behar dugu.
Elkarrekintza ahula garraiatzen duten partikulen masa hain handia denez (\text {90 GeV/}c^2-tik gertu), haien batez besteko bizitza 3 \cdot 10^{-27} \text { s} ingurukoa da gehienez, ziurgabetasun-printzipioaren ondorioz. Bizitza-erdi labur horrek elkarrekintza ahularen irismena 10^{-18} \text { m}-ra mugatzen du, hau da, atomoaren nukleoaren diametroa baino mila aldiz distantzia txikiagora.

### Hiru motatako elkarrekintza ahulak 
Oinarrizko hiru motatako elkarrekintza ahul ditugu. Horietako bitan, bosoi kargatuek hartzen dute parte, eta "*korronte kargatuko elkarrekintzak*" direla esaten da. Hirugarren motari "*korronte neutroko elkarrekintza*" deritzo.
* Leptoi kargatu batek (adibidez elektroi bat edo muoi bat) W bosoi bat hartu edo eman dezake, eta, horrela, bosoi hori dagokion neutrino bihurtu. Esate baterako,

\mu^{-}+ W^{+}\longrightarrow \nu_{\mu}

* Behe-quark batek (-1/3 balioko karga duena) W bosoi bat hartu edo eman dezake, eta, horrela, bosoia goi-quark bihurtu. Alderantziz ere gerta daiteke, eta goi-quark batek behe-quark bat ematen du orduan.d+W^{+}\longrightarrow u

Bestelako aldaketak ere gerta daitezke quarketan:c+W^{-}\longrightarrow sd \longrightarrow u + W^{-}c \longrightarrow s+W^{+}

* Leptoi batek edo (quark batek) Z^0 bosoi bat hartu edo eman dezake:
e^{-}\longrightarrow e^{-} + Z^{0}
ezkerrera|thumb|\beta^- desintegrazioaren eskema.
[thumb|220x220px|Feynman-en diagrama honetan [neutroi baten desintegrazioa adierazten da: W^- bosoia igortzean, protoia, elektroia (\beta^-) eta neutrinoa sortzen dira.]]

### Beta desintegrazioa, elkarrekintza ahularen ondorio 
Beta desintegrazioa, adibidez, aldi berean gertatutako bi korronte kargatuen arteko elkarrekintzen ondorio zuzena da. Korronte neutroko elkarrekintza 1974an ikusi zen lehen aldiz neutrinoen sakabanatzea gauzatzen zuen esperimentu batean.

\beta^- desintegrazioan, elkarrekintza ahularen ondorioz, neutroi batetik (n^0) hiru partikula sortzen dira: protoi bat, p^+, elektroi bat, e^-, eta antineutrino bat, \bar{\nu}_e:

n^0 \rightarrow p^+ + e^- + \bar{\nu}_e.

Alboko irudian ageri den Feynman-en diagraman erakusten den moduan, prozesu horretan down quark bat up quark bihurtzen da W^- bosoi bat igortzean, eta, horrela, neutroia protoi bihurtzen da; segidan W^- bosoia desintegratu egiten da elektroi bat (\beta^- erradiazioa) eta antineutrino elektroniko bat sortuz.

## Erreferentziak 
## Bibliografia 
* Paul Davies (1986) *The Forces of Nature*, 2nd ed. Cambridge Univ. Press. ISBN-13: 978-0521313926
* Richard Feynman (1967) *The Character of Physical Law*. MIT Press. 
* Schumm, Bruce A. (2004) *Deep Down Things*. Johns Hopkins University Press. ISBN13 9780801879715
* Steven Weinberg (1993) *The First Three Minutes: A Modern View of the Origin of the Universe*. Basic Books. 
* Steven Weinberg (1994) *Dreams of a Final Theory*. Vintage Books. 
* J.R. Etxebarria (1994) *Teoria fisikoen oinarriak*. Udako Euskal Unibertsitatea (UEU) ISBN: 84-86967-57-0

## Ikus, gainera 
* Eredu Estandarra
* Oinarrizko elkarrekintzak
* Elkarrekintza nuklear bortitza

## Kanpo estekak