Interacción nuclear débil

En física nuclear e de partículas, a interacción nuclear débil é o mecanismo de interacción entre partículas subatómicas responsable do decaemento radioactivo dos átomos. A interacción nuclear débil participa na fisión nuclear e a teoría que describe o seu comprtamento e os seus efectos chámase quantum flavourdynamics (QFD). Porén, o termo QFD apenas se usa xa que a interacción débil enténdese mellor mediante a teoría electrodébil (EWT).
O rango efectivo da interacción nuclear débil limítase distancias subatómicas e é menor que o diámetros dun protón. Xunto á gravidade, á interacción nuclear forte e ó electromagnetismo, unha das catro forzas fundamentais da natureza.
É a responsable de certos tipos de radioactividade natural, como a desintegración dun neutrón nun protón, un electrón e un neutrino.
Os bosóns vectoriais ( W +, W − e Z 0 {\displaystyle W^{+}, W^{-}eZ^{0}} ) son as partículas fundamentais que garanten a transmisión da forza nuclear débil.
Foi nos anos 1930 cando os físicos que estudaban a radiación emitida polos átomos déronse conta que, en certos casos, o núcleo do átomo emitía electróns.
O fenómeno débese a que, ás veces, un neutrón do núcleo transfórmase nun protón e un electrón. O electrón remata por escapar do núcleo, pero ó medir as súas propiedades descóbrese que falta certa cantidade de enerxía.
Propúxose unha nova clase de partícula para explicar este fenómeno, unha partícula que se leva a enerxía que falta, totalmente sen carga, invisible e á cal as forzas eléctricas e magnéticas non afectan. Enrico Fermi chamouna neutrino (en italiano, neutronciño) aínda que o nome quedou tal cal. Historia
En 1933, Enrico Fermi propuxo a primeira teoría da interacción débil, coñecida como interacción de Fermi. Suxeriu que a desintegración beta podería explicarse por unha interacción de catro fermións, que implica unha forza de contacto sen alcance.
Non obstante, descríbese mellor como un campo de forza sen contacto cun rango finito, aínda que moi curto. Na década de 1960, Sheldon Glashow, Abdus Salam e Steven Weinberg unificaron a forza electromagnética e a interacción débil mostrando que eran dous aspectos dunha soa forza, agora denominada forza electrodébil.
A existencia dos bosóns W e Z non se confirmou directamente ata 1983. Descrición e propiedades
A interacción débil é un tipo de interacción entre partículas fundamentais, responsable de fenómenos naturais como a desintegración beta. Como interacción débil non só pode ocasionar efectos puramente atractivos ou de repulsión (como sucede por exemplo coa interacción electromagnética), senón que tamén pode producir o cambio de identidade das partículas involucradas, é dicir, o que se coñece como unha reacción de partículas subatómicas.
A primeira teoría para entender a interacción débil apareceu na década de 1930, cando Fermi propuxo a súa teoría do decaemento beta (1933). Non obstante, a finais da década de 1960 introduciuse unha explicación máis ampla e completamente satisfactoria, a teoría electrodébil que explicaba a interacción débil como un campo de Yang-Mills asociado a un grupo de gauge ou simetría interna SU(2).
Orixinariamente denominouse "forza nuclear débil", xa que a interacción débil está confinada a distancias moi curtas, de pouco máis que o núcleo atómico, e porque é moi débil en comparación coa forza nuclear forte que mantén unidos neutróns e protóns. Porén, se se considera que tamén é a responsable do decaemento de particulas da familia do electrón como o muón, fóra do núcleo, prefírese chamala "débil". Os seus efectos máis considerables son debido a outra condición única: o seu cambio de sabor.
Debido á debilidade desta interacción, os decaementos débiles son moi lentos comparados cos decaementos fortes ou os electromagnéticos. Por exemplo, un decaemento electromagnético dun pion neutro ten unha vida de preto de 10−16 segundos, mentres que un decaemento débil cargado cun pion vive preto de 10−8 segundos, é dicir, cen millóns de veces máis longo. Un neutrón libre "vive" preto de 15 minutos, facéndoo a partícula subatómica inestable coa vida media máis longa coñecida.
Propiedades
A interacción débil afecta a todo leptón con quiralidade zurda e aos quarks. É a única forza que afecta aos neutrinos (agás a gravitación, que non se pode evitar a escalas do laboratorio). A interacción débil é única en varios aspectos: É a única interacción capaz de cambiar o seu sabor
É a única interacción que viola a paridade da simetría P, xa que só actúa sobre electróns, muóns e tauons levoxiros). Esta é tamén a única que viola a simetría CP.
É a que media entre os bosóns de gauge pesados. Esta característica infrecuente explícase no modelo estándar polo mecanismo de Higgs.
Debido á gran masa das partículas que transportan a interacción débil (preto dos 90 GeV/c2), estas partículas portadoras, chamadas bosóns W e Z, teñen unha vida curta cunha vida media inferior a 10−24 segundos. A interacción débil ten unha constante de acoplamento (un indicador da forza de interacción) de entre 10-7 e 10-6, en comparación coa constante de acoplamento da interacción forte de 1 e a constante de acoplamento electromagnético de aproximadamente 10−2; en consecuencia, a interacción débil é "débil" en termos de forza. A interacción débil ten un alcance efectivo moi curto (ao redor de 10−17 a 10−16 m). A distancias duns 10−18 metros, a interacción débil ten unha forza de magnitude similar á forza electromagnética, mais esta comeza a diminuír exponencialmente co aumento da distancia. Ampliada só por unha orde e media de magnitude, a distancias de aproximadamente 3×10−17 m, a interacción débil faise 10000 veces máis débil.
A interacción débil afecta todos os fermións do modelo estándar, así como o bosón de Higgs; os neutrinos interactúan só a través da gravidade e a interacción débil. A interacción débil non produce estados ligados nin implica enerxía de unión, algo que a gravidade fai a escala astronómica, que a forza electromagnética fai a nivel atómico e que a forza nuclear forte o fai dentro dos núcleos.
O seu efecto máis notable débese á súa primeira característica única: a interacción débil cargada provoca cambios de sabor. Por exemplo, se se considera un neutrón (contén un quark up e dous quark down), aínda que o neutrón es máis masivo que o seu "irmán" nucleón (m(neutrón)
939. 5653 MeV, m(protón)
938. 27203 MeV), non pode decaer nun protón (contén dous quark up e un quark down) sen cambiar o sabor dun dos quarks down. A interacción forte ou o electromagnetismo non poden cambiar o seu sabor, polo que isto só pode ocorrer a través dun decaemento débil. Neste proceso, un quark down nun neutrón cambia nun quark up emitindo un bosón W, que logo se rompe en electróns de alta enerxía e un antineutrino electrónico. Os electróns altamente enerxéticos son radiación beta, isto chámase desintegración beta.
Tipos de Interacción
Hai tres tipos básicos de vértices da interacción débil (ata a conxugación da carga e o cruzamento simétrico). Dous deles envolven bosóns cargados, que se chaman "interaccións de corrente cargada". O terceiro tipo chámase "interacción de corrente neutral". Un leptón cargado (como un electrón ou un muón) pode emitir ou absorber un bosón W e convertelo no seu correspondente neutrino.
Un quark tipo down (con carga -1/3) pode emitir ou absorber un bosón W e convertelo nunha superposición de quark up. Ao contrario, un quark up pode converter nunha superposición de quarks down. O contido exacto da superposición vén dado pola matriz CKM.
Ou ben un leptón ou un quark pode emitir ou absorber un bosón Z.
Dúas interaccións de correntes cargadas xuntas son responsables do fenómeno da desintegración beta. A interacción de corrente neutra foi a primeira en ser observada nun experimento de dispersión de neutrinos en 1974 e nun experimento de colisións en 1983.
Violación de simetría
As leis da natureza tenden a continuar a ser as mesmas se se miran co mesmo espello de reflexión, a inversión de todos os espazos euclidianos. Os resultados dun experimento vistos a través dun espello esperábase que fosen idénticos aos resultados dunha copia de todo o experimento reflectida nun espello. A lei de conservación da paridade foi coñecida por ser respectada pola gravitación clásica e o electromagnetismo, logo supúxose que era unha lei universal. Non obstante, a mediados da décad de 1950, Chen Ning Yang e Tsung-Dao Lee suxeriron que a interacción débil podería violar esta lei. Chien Shiung Wu e outros colaboradores descubriron en 1957 que a interacción débil violaba a paridade, polo que Yang e Lee obtiveron o premio Nobel de físca polo seu traballo.
Aínda que a interacción débil adoita describirse segundo a teoría de Fermi como unha interacción de contacto de catro fermións, o descubrimento da violación da paridade e a teoría de renormalización suxire que é necesario un novo enfoque. En 1957, Robert Marshak, George Sudarshan e posteriormente Richard Feynman e Murray Gell-Mann propuxeron un V-A (vector axial ou levoxiro) lagrangiano para interaccións débiles. Nesta teoría, a interacción débil actúa só nas partículas levoxiras (e antipartículas dextróxiras). Dado que a reflexión dun espello dunha partícula levoxira é unha partícula dextróxira, isto explica a máxima violación da paridade.
Porén, esta teoría permitiu unha simetría composta CP para ser conservada. CP combina a paridade P (intercambiando dereita e esquerda) coa conxugación de carga C (intercambiando partículas con antipartículas). Os físicos foron sorprendidos de novo cando en 1964 James Cronin e Val Fitch achegaron evidencias claras nunha desintegración dun kaón, que a simetría CP podía ser rota tamén, recibindo o premio Nobel de física de 1980. En 1973, Makoto Kobayashi e Toshihide Maskawa demostraron que a violación CP require máis de dúas xeracións de partículas, predicindo efectivamente a existencia dunha entón descoñecida terceira xeración. Este descubrimento valeulles o premio Nobel de física en 2008.
Ao contrario que a violación da paridade, a violación CP ocorre en circunstancias moir raras. A pesar da súa limitada ocorrencia nas condicións presentes, crese que é razón de que existe moita máis antimateria no universo, e así forma unha das tres condicións de Andrei Sakharov para a barioxénese.