Interación débil (fuerza nuclear débil)
Definición
En la física de partículas, la interacción débil (la fuerza débil o la fuerza nuclear débil ) es el mecanismo de interacción entre las partículas subatómicas que causa la desintegración radiactiva y, por lo tanto, desempeña un papel esencial en la fisión nuclear. La teoría de la interacción débil a veces se llama flavordynamics cuántica ( QFD ), en analogía con los términos de la cromodinámica cuántica ( QCD ) que trata de la interacción fuerte y la electrodinámica cuántica ( QED ) que trata de la fuerza electromagnética. Sin embargo, el término QFD rara vez se utiliza porque la fuerza débil se entiende mejor en términos de teoría electro-débil (EWT).
La interacción débil tiene lugar solo a distancias subatómicas muy pequeñas, menores que el diámetro de un protón. Es una de las cuatro interacciones fundamentales conocidas de la naturaleza, junto con la fuerte interacción, el electromagnetismo y la gravitación.
Fondo
El Modelo Estándar de física de partículas proporciona un marco uniforme para comprender las interacciones electromagnéticas, débiles y fuertes. Se produce una interacción cuando dos partículas, típicamente, pero no necesariamente, fermiones de spin de medio entero, intercambian bosones de carga enteros y spin-force. Los fermiones implicados en tales intercambios pueden ser elementales (p. Ej., Electrones o quarks) o compuestos (por ejemplo, protones o neutrones), aunque en los niveles más profundos, todas las interacciones débiles se encuentran finalmente entre las partículas elementales.
En el caso de la interacción débil, los fermiones pueden intercambiar tres tipos distintos de portadores de fuerza conocidos como bosones W, W y Z. La masa de cada uno de estos bosones es mucho mayor que la masa de un protón o neutrón, lo cual es consistente con el corto alcance de la fuerza débil. De hecho, la fuerza se denomina débil porque su intensidad de campo en una distancia dada es típicamente varios órdenes de magnitud menor que la de la fuerza nuclear fuerte o la fuerza electromagnética.
Los Quarks, que componen partículas compuestas como neutrones y protones, vienen en seis "sabores": arriba, abajo, extraño, hechizo, arriba y abajo, que le dan a esas partículas compuestas sus propiedades. La interacción débil es única ya que permite a los quarks cambiar su sabor por otro. El intercambio de esas propiedades está mediado por los bosones del transportador de fuerza. Por ejemplo, durante la desintegración beta menos, un quark abajo dentro de un neutrón se transforma en un quark up, convirtiendo así el neutrón en un protón y dando como resultado la emisión de un electrón y un electrón antineutrino.
La interacción débil es la única interacción fundamental que rompe la paridad-simetría y, de manera similar, la única que rompe la simetría de paridad de carga.
Otros ejemplos importantes de fenómenos que involucran la interacción débil incluyen la desintegración beta y la fusión de hidrógeno en deuterio que potencia el proceso termonuclear del Sol. La mayoría de los fermiones se descompondrán por una interacción débil a lo largo del tiempo. Tal descomposición hace posible la datación por radiocarbono, ya que el carbono 14 se desintegra a través de la interacción débil con el nitrógeno-14. También puede crear radioluminiscencia, comúnmente utilizada en la iluminación de tritio, y en el campo relacionado de betavoltaica.
Durante la época quark del universo temprano, la fuerza electrodébil se separó en las fuerzas electromagnéticas y débiles.
Historia
En 1933, Enrico Fermi propuso la primera teoría de la interacción débil, conocida como la interacción de Fermi. Sugirió que la desintegración beta podría explicarse por una interacción de cuatro fermiones, que implica una fuerza de contacto sin rango.
Sin embargo, se describe mejor como un campo de fuerza sin contacto que tiene un rango finito, aunque muy corto. En 1968, Sheldon Glashow, Abdus Salam y Steven Wein confirmaron la fuerza electromagnética y la interacción débil mostrándoles que eran dos aspectos de una sola fuerza, ahora denominada fuerza electro-débil.
La existencia de los bosones W y Z no se confirmó directamente hasta 1983.
Propiedades
La interacción débil es única en varios aspectos:
- Es la única interacción capaz de cambiar el sabor de los quarks (es decir, de cambiar un tipo de quark a otro).
- Es la única interacción que viola P o la paridad-simetría. También es el único que viola la simetría CP de paridad de carga .
- Está mediado (propagado) por partículas de portadores de fuerza que tienen masas significativas, una característica inusual que se explica en el Modelo Estándar por el mecanismo de Higgs.
Debido a su gran masa (aproximadamente 90 GeV / c), estas partículas portadoras, denominadas bosones W y Z, son de corta duración con una vida útil de menos de 10 segundos. La interacción débil tiene una constante de acoplamiento (un indicador de intensidad de interacción) de entre 10 y 10, en comparación con la constante de acoplamiento de interacción fuerte de 1 y la constante de acoplamiento electromagnético de aproximadamente 10; en consecuencia, la interacción débil es débil en términos de fuerza. La interacción débil tiene un rango muy corto (alrededor de 10 a 10 m). A distancias de alrededor de 10 metros, la interacción débil tiene una fuerza de magnitud similar a la fuerza electromagnética, pero esto comienza a disminuir exponencialmente a medida que aumenta la distancia. A distancias de alrededor de 3 × 10 m, una distancia que se escala con solo uno y medio órdenes de magnitud decimales desde antes, la interacción débil es 10,
La interacción débil afecta a todos los fermiones del Modelo Estándar, así como al bosón de Higgs; los neutrinos interactúan a través de la gravedad y la interacción débil solamente, y los neutrinos fueron la razón original del nombre de fuerza débil . La interacción débil no produce estados ligados ni implica energía de enlace, algo que la gravedad hace a escala astronómica, que la fuerza electromagnética hace a nivel atómico, y que la fuerza nuclear fuerte hace dentro de los núcleos.
Su efecto más notable se debe a su primera característica única: cambio de sabor. Un neutrón, por ejemplo, es más pesado que un protón (su nucleón hermano), pero no puede descomponerse en un protón sin cambiar el sabor (tipo) de uno de sus dos quarks hacia abajo por un quark ascendente . Ni la interacción fuerte ni el electromagnetismo permiten cambiar el sabor, por lo que esto se produce por una decadencia débil ; sin debilitamiento débil, las propiedades de quark como rareza y encanto (asociadas con los quarks del mismo nombre) también se conservarían en todas las interacciones.
Todos los mesones son inestables debido a la descomposición débil. En el proceso conocido como desintegración beta, un quark hacia abajo en el neutrón puede transformarse en un quark upemitiendo un virtual
W -
bosón que luego se convierte en un electrón y un electrón antineutrino. Otro ejemplo es la captura de electrones, una variante común de la desintegración radiactiva, en el que un protón y un electrón dentro de un átomo interactúan, y se cambian a un neutrón (un quark arriba se cambia a un quark abajo) y un neutrino electrón se emite.
W -
bosón que luego se convierte en un electrón y un electrón antineutrino. Otro ejemplo es la captura de electrones, una variante común de la desintegración radiactiva, en el que un protón y un electrón dentro de un átomo interactúan, y se cambian a un neutrón (un quark arriba se cambia a un quark abajo) y un neutrino electrón se emite.
Debido a las grandes masas de los bosones W, las transformaciones o desintegraciones de partículas (p. Ej., Cambio de sabor) que dependen de la interacción débil suelen producirse mucho más lentamente que las transformaciones o desintegraciones que dependen únicamente de las fuerzas fuertes o electromagnéticas. Por ejemplo, un pión neutral se descompone electromagnéticamente, y tiene una vida de solo unos 10 segundos. Por el contrario, un pión cargado solo puede descomponerse a través de la interacción débil, por lo que vive unos 10 segundos, o cien millones de veces más que un pión neutral. Un ejemplo particularmente extremo es la descomposición de la fuerza débil de un neutrón libre, que toma alrededor de 15 minutos.
Weospspin débil y hipercarga débil
Todas las partículas tienen una propiedad llamada isospin débil (símbolo T 3 ), que sirve como un número cuántico y rige cómo se comporta esa partícula en la interacción débil. El isospín débil juega el mismo papel en la interacción débil que la carga eléctrica en el electromagnetismo y la carga de color en la interacción fuerte. Todos los fermiones zurdos tienen un valor de isospin débil de + / 2 o - / 2 . Por ejemplo, el quark up tiene un T 3 de + / 2 y el quark down - / 2 . Un quark nunca decae a través de la interacción débil en un quark de la misma T 3 : Quarks con un T 3 de + / 2 solo decaen en quarks con un T 3 de - / 2 y viceversa.
En cualquier interacción dada, se conserva isospin débil: la suma de los números de isospines débiles de las partículas que entran en la interacción es igual a la suma de los números de isospines débiles de las partículas que salen de esa interacción. Por ejemplo, a (zurdo)
π +
, con un isospín débil de 1 normalmente se descompone en un
ν
μ (+/ 2 ) y a
μ +
(como una antipartícula diestra, + / 2 ).
π +
, con un isospín débil de 1 normalmente se descompone en un
ν
μ (+/ 2 ) y a
μ +
(como una antipartícula diestra, + / 2 ).
Tras el desarrollo de la teoría electrodébil, se desarrolló otra propiedad, la hipercarga débil. Depende de la carga eléctrica de una partícula y del isospin débil, y se define por:
donde Y W es la hipercarga débil de un determinado tipo de partícula, Q es su carga eléctrica (en unidades de carga elementales) y T 3 es su isospín débil. Mientras que algunas partículas tienen un isospín débil de cero, todas las partículas de spin-
/
2 tienen una hipercarga débil que no es cero. La hipercarga débil es el generador del componente U (1) del grupo de medidores electrodébiles.
/
2 tienen una hipercarga débil que no es cero. La hipercarga débil es el generador del componente U (1) del grupo de medidores electrodébiles.
Tipos de interacción
Hay dos tipos de interacción débil (llamados vértices ). El primer tipo se denomina "interacción carga-corriente" porque está mediado por partículas que llevan una carga eléctrica (el
W +
o
W -
bosones
), y es responsable del fenómeno de descomposición beta. El segundo tipo se denomina "interacción de corriente neutra" porque está mediado por una partícula neutra, el bosón Z.W +
o
W -
bosones
Interacción de corriente cargada
En un tipo de interacción de corriente cargada, un leptón cargado (como un electrón o un muón, que tiene una carga de -1) puede absorber un
W +
bosón
(una partícula con una carga de +1) y por lo tanto se convierte en un neutrino correspondiente (con una carga de 0), donde el tipo ("sabor") de neutrino (electrón, muón o tau) es el mismo que el tipo de lepton en la interacción, por ejemplo:W +
bosón
Del mismo modo, un quark tipo abajo ( d con una carga de - / 3 ) se puede convertir en un quark up-type ( u , con una carga de + / 3 ), emitiendo un
W -
bosón o mediante la absorción de un
W +
bosón. Más precisamente, el quark tipo abajo se convierte en una superposición cuántica de quarks up-type: es decir, tiene la posibilidad de convertirse en cualquiera de los tres quarks up-type, con las probabilidades dadas en las tablas matriciales CKM. Por el contrario, un quark up-type puede emitir un
W +
bosón, o absorber un
W -
bosón, y por lo tanto se convierte en un quark de tipo hacia abajo, por ejemplo:
W -
bosón o mediante la absorción de un
W +
bosón. Más precisamente, el quark tipo abajo se convierte en una superposición cuántica de quarks up-type: es decir, tiene la posibilidad de convertirse en cualquiera de los tres quarks up-type, con las probabilidades dadas en las tablas matriciales CKM. Por el contrario, un quark up-type puede emitir un
W +
bosón, o absorber un
W -
bosón, y por lo tanto se convierte en un quark de tipo hacia abajo, por ejemplo:
El bosón W es inestable, por lo que se descompondrá rápidamente, con una vida útil muy corta. Por ejemplo:
La descomposición del bosón W en otros productos puede ocurrir, con distintas probabilidades.
En la llamada descomposición beta de un neutrón (ver imagen, arriba), un quark abajo dentro del neutrón emite un virtual
W -
bosón y por lo tanto se convierte en un quark up, convirtiendo el neutrón en un protón. Debido a la energía involucrada en el proceso (es decir, la diferencia de masa entre el quark hacia abajo y el quark hacia arriba), el
W -
el bosón solo puede convertirse en un electrón y un electrón-antineutrino. En el nivel del quark, el proceso se puede representar como:
W -
bosón y por lo tanto se convierte en un quark up, convirtiendo el neutrón en un protón. Debido a la energía involucrada en el proceso (es decir, la diferencia de masa entre el quark hacia abajo y el quark hacia arriba), el
W -
el bosón solo puede convertirse en un electrón y un electrón-antineutrino. En el nivel del quark, el proceso se puede representar como:
Interacción de corriente neutra
En las interacciones de corriente neutra, un quark o un leptón (p. Ej., Un electrón o un muón) emite o absorbe un bosón Z neutral. Por ejemplo:
Al igual que el bosón W, el bosón Z también se descompone rápidamente, por ejemplo:
Teoría Electroweak
El Modelo Estándar de física de partículas describe la interacción electromagnética y la interacción débil como dos aspectos diferentes de una única interacción electrodébil. Esta teoría fue desarrollada alrededor de 1968 por Sheldon Glashow, Abdus Salam y Steven Weinberg, y fueron galardonados con el Premio Nobel de Física de 1979 por su trabajo. El mecanismo de Higgs proporciona una explicación para la presencia de tres bosones gauge masivos (
W +
,
W -
,
Z 0
, los tres portadores de la interacción débil) y el fotón sin masa ( γ , el portador de la interacción electromagnética).
W +
,
W -
,
Z 0
, los tres portadores de la interacción débil) y el fotón sin masa ( γ , el portador de la interacción electromagnética).
De acuerdo con la teoría electrodébil, a energías muy altas, el universo tiene cuatro componentes del campo de Higgs cuyas interacciones son llevadas por cuatro bosones gauge sin masa, cada uno similar al fotón, formando un doblete de campo de Higgs escalar complejo. Sin embargo, a bajas energías, esta simetría de gauge se descompone espontáneamente en la simetría de U (1) del electromagnetismo, ya que uno de los campos de Higgs adquiere un valor de expectativa de vacío. Se espera que esta ruptura de simetría produzca tres bosones sin masa, pero en su lugar se integran por los otros tres campos y adquieren masa a través del mecanismo de Higgs. Estas tres integraciones bosónicas producen
W +
,
W -
y
Z 0
bosones de la interacción débil. El cuarto bosón gauge es el fotón del electromagnetismo y permanece sin masa.
W +
,
W -
y
Z 0
bosones de la interacción débil. El cuarto bosón gauge es el fotón del electromagnetismo y permanece sin masa.
Esta teoría ha realizado una serie de predicciones, incluida una predicción de las masas de los bosones Z y W antes de su descubrimiento. El 4 de julio de 2012, los equipos experimentales CMS y ATLAS en el Gran Colisionador de Hadrones anunciaron independientemente que habían confirmado el descubrimiento formal de un bosón de masa previamente desconocido entre 125-127 GeV / c , cuyo comportamiento hasta ahora era "coherente con" un bosón de Higgs, mientras agregaba una nota cautelosa de que se necesitaban más datos y análisis antes de identificar positivamente al nuevo bosón como si fuera un bosón de Higgs de algún tipo. Para el 14 de marzo de 2013, se había confirmado tentativamente que el bosón de Higgs existía.
Violación de la simetría
Se pensó durante mucho tiempo que las leyes de la naturaleza permanecían iguales bajo la reflexión especular. Se esperaba que los resultados de un experimento visto a través de un espejo fueran idénticos a los resultados de una copia reflejada en el espejo del aparato experimental. Se sabía que esta llamada ley de conservación de la paridad era respetada por la gravitación clásica, el electromagnetismo y la fuerte interacción; se asumió que era una ley universal. Sin embargo, a mediados de la década de 1950 Chen-Ning Yang y Tsung-Dao Lee sugirieron que la interacción débil podría violar esta ley. Chien Shiung Wu y sus colaboradores en 1957 descubrieron que la interacción débil viola la paridad, lo que le valió a Yang y Lee el Premio Nobel de Física de 1957.
Aunque la interacción débil fue descrita una vez por la teoría de Fermi, el descubrimiento de la violación de la paridad y la teoría de la renormalización sugirieron que era necesario un nuevo enfoque. En 1957, Robert Marshak y George Sudarshanand, algo más tarde, Richard Feynman y Murray Gell-Mann propusieron un V-A (vector menos vector axial o zurdo) Lagrangiano para interacciones débiles. En esta teoría, la interacción débil actúa solo sobre partículas zurdas (y antipartículas diestras). Dado que el reflejo del espejo de una partícula para zurdos es diestro, esto explica la máxima violación de la paridad. La teoría V-A se desarrolló antes del descubrimiento del bosón Z, por lo que no incluía los campos diestros que entran en la interacción de la corriente neutral.
Sin embargo, esta teoría permitió conservar una CP de simetría compuesta . El CP combina la paridad P (conmutación de izquierda a derecha) con la conjugación de carga C (partículas de conmutación con antipartículas). Los físicos se sorprendieron una vez más cuando, en 1964, James Cronin y Val Fitch proporcionaron pruebas claras en las decadencias de kaon de que la simetría de CP también se podía romper, lo que les valió el Premio Nobel de Física de 1980. En 1973, Makoto Kobayashi y Toshihide Maskawa demostraron que la violación de CP en la interacción débil requería más de dos generaciones de partículas, lo que efectivamente predecía la existencia de una tercera generación entonces desconocida. Este descubrimiento les ganó la mitad del Premio Nobel de Física 2008.
A diferencia de la violación de paridad, la violación de CP ocurre solo en circunstancias limitadas. A pesar de su rareza, se cree que es la razón por la que hay mucha más materia que antimateria en el universo, y por lo tanto forma una de las tres condiciones de Andrei Sakharov para la bariogénesis.
Obtenido de: https://en.wikipedia.org/wiki/Weak_interaction