Interacción débil


Interacción débil
Cuadro explicativo de las 4 fuerzas fundamentales.

La interacción débil, frecuentemente llamada fuerza débil o fuerza nuclear débil, es una de las cuatro fuerzas fundamentales de la naturaleza. En el modelo estándar de la física de partículas, ésta se debe al intercambio de los bosones W y Z, que son muy masivos. El efecto más familiar es el decaimiento beta (de los neutrones en el núcleo atómico) y la radiactividad. La palabra "débil" deriva del hecho que un campo de fuerzas es de 1013 veces menor que la interacción nuclear fuerte; aun así esta interacción es más fuerte que la gravitación a cortas distancias.

Contenido

Propiedades

La interacción débil afecta a todo leptón con quiralidad zurda y a los quarks. Es la única fuerza que afecta a los neutrinos (excepto por la gravitación, que no se puede evitar a escalas del laboratorio). La interacción débil es única en varios aspectos:

  1. Es la única interacción capaz de cambiar su sabor
  2. Es la única interacción que viola la paridad de la simetría P (ya que sólo actúa sobre electrones, muones y tauones de izquierdas). Esta es también la única que viola la simetría CP.
  3. Es la que media entre los bosones de gauge pesados. Esta característica inusual es explicada en el modelo estándar por el mecanismo de Higgs.


Debido a la gran masa de las partículas que transportan la interacción débil (cerca de los 90 GeV/c2), su vida media está limitada a cerca de 3×10−27  segundos, por el principio de incertidumbre. Incluso a la velocidad de la luz este límite efectivo del rango de la interacción débil de 10−18  metros, cerca de mil veces más pequeña que el diámetro del núcleo atómico.

Ya que la interacción débil es a muy cortas distancias y muy débil, sus efectos más considerables son debido a otra condición única: su cambio de sabor. Considere un neutrón (contiene un quark up y dos quark down), aunque el neutrón es más masivo que su "hermano" nucleón (m(neutrón)= 939.5653 MeV, m(protón)=938.27203 MeV), no puede decaer en un protón (contiene dos quark up y un quark down) sin cambiar el sabor de uno de los quarks down. La interacción fuerte o el electromagnetismo no pueden cambiar su sabor, por lo que esto sólo puede ocurrir a través de un decaimiento débil. En este proceso, un quark down en un neutrón cambia en un quark up emitiendo un bosón W, que luego se rompe en electrones de alta energía y un antineutrino electrónico. Los electrones altamente energéticos son radiación beta, esto es llamado desintegración beta.

Debido a la debilidad de la interacción débil, los decaimientos débiles son muy lentos comparados con los decaimientos fuertes o los electromagnéticos. Por ejemplo, un decaimiento electromagnético de un pion neutro tiene una vida de cerca de 10-16  segundos; un decaimiento débil cargado con un pion vive cerca de 10-8  segundos, cien millones de veces más largo. Un neutrón libre vive cerca de 15 minutos, haciéndola una partícula subatómica inestable con la más larga vida media conocida.

Tipos de Interacción

Hay tres tipos básicos de vértices de la interacción débil (hasta la conjugación de la carga y el cruce simétrico). Dos de ellos envuelven bosones cargados, que son llamados "interacciones de corriente cargada". El tercer tipo es llamado "interacción de corriente neutral".

  • Un leptón cargado (como un electrón o un muon) puede emitir o absorber un bosón W y convertirlo en su correspondiente neutrino.
  • Un quark tipo down (con carga -1/3) puede emitir o absorber a un bosón W y convertirlo en una superposición de quark up. Al contrario, un quark up puede convertir en una superposición de quarks down. El contenido exacto de la superposición es dado por la matriz CKM.
  • O bien un leptón o un quark puede emitir o absorber un bosón Z.

Dos interacciones de corrientes cargadas juntas son responsables del fenómeno de la desintegración beta. La interacción de corriente neutra fue la primera en ser observada en un experimento de dispersión de neutrinos en 1974 y en un experimento de colisiones en 1983.

Violación de simetría

Las leyes de la naturaleza tienen a seguir siendo las mismas si se las mira con el mismo espejo de reflexión, la inversión de todos los espacios euclidianos. Los resultados de una mirada experimental vía un espejo se esperaba que sean idénticas a los resultados en una copia de otro espejo reflejado de un aparato experimental. La, así llamada, ley de conservación de la paridad fue conocida por respetar a la gravitación clásica y al electromagnetismo; ésta se asumió como ley universal. Sin embargo, a mediados de los años 1950, Chen Ning Yang y Tsung-Dao Lee sugirieron que la interacción débil podría violar esta ley. Chien Shiung Wu y otros colaboradores descubrieron en 1957 que la interacción débil violaba la paridad, por lo que Yang y Lee obtuvieron el Nobel de Física de 1957 por su trabajo.

Aunque la interacción débil se usa para ser descrita por la teoría de Fermi de una interacción de contacto de cuatro fermiones, el descubrimiento de la violación de la paridad y la teoría de renormalización sugiere que un nuevo acercamiento es necesario. En 1957, Robert Marshak, George Sudarshan y posteriormente Richard Feynman y Murray Gell-Mann propusieron un V-A (vector menos un vector axial o un quiral derecho) lagrangiano para interacciones débiles. En esta teoría, la interacción débil actúa solo en las partículas derechas (y las antipartículas también). Si la reflexión del espejo de una partícula izquierda es una partícula derecha, esto explica la máxima violación de la paridad.

Sin embargo, esta teoría permite un componente de simétrico CP para ser conservado. CP combina la paridad P (intercambiando derecha a izquierda) con carga conjugada C (intercambiando partículas con antipartículas). Físicos fueron nuevamente sorprendidos cuando en 1964, James Cronin y Val Fitch proveyó evidencia clara en una desintegración de un kaón, que la simetría CP podía ser rota también, ganando el premio Nobel de Física de 1980. A diferencia de la violación de la paridad, la violación CP tiene efectos muy pequeños.

Teoría o modelo electrodébil

Artículo principal: Modelo electrodébil

El modelo estándar de la física de partículas describe la interacción electromagnética y la interacción débil como dos diferentes aspectos de una única interacción electrodébil, la teoría que fue desarrollada en 1968 por Sheldon Lee Glashow, Abdus Salam y Steven Weinberg (los bosones W y Z). Ellos ganaron el Nobel de Física de 1979 por este trabajo.

Acorde a la teoría electrodébil, a muy altas energías, el universo tiene cuatro idénticos bosones de gauge sin masa similares al fotón y a un campo de Higgs escalar. Sin embargo, a bajas energías, la simetría de un campo de Higgs tiene una ruptura espontánea de simetría electrodébil por el mecanismo de Higgs. La ruptura de la simetría produce tres bosones de Goldstone sin masa que son "comidos" por tres de los fotones, como campos, dándoles su masa. Estos tres campos se convierten en bosones W y Z de la interacción débil, mientras que la cuarta permanece sin masa y es un fotón del electromagnetismo.

Aunque esta teoría tiene un número de predicciones impresionantes, incluyendo una predicción de la masa de un bosón Z antes de su descubrimiento, el bosón de Higgs por sí mismo nunca ha sido observado. Producir un bosón de Higgs será el mayor logro del LHC que se construye en el CERN, o bien demostrar su inexistencia y necesidad de nuevas leyes físicas.

Véase también

Referencias

  • David J. Griffiths (1987). Introduction to Elementary Particles. Wiley, John & Sons, Inc. ISBN 0-471-60386-4. 
  • D.A. Bromley (2000). Gauge Theory of Weak Interactions. Springer. ISBN 3-540-67672-4. 
  • Gordon L. Kane (1987). Modern Elementary Particle Physics. Perseus Books. ISBN 0-201-11749-5. 

Enlaces externos


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