Fuerza nuclear débil

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La Fuerza nuclear débil en física nuclear y de partículas es una de las cuatro interacciones fundamentales. Las otras son el electromagnetismo, la fuerza nuclear fuerte y la gravitación.

El rango de la fuerza nuclear débil se limita a distancias menores que el diámetro de un protón, de allí su nombre. Esta interacción débil es responsable de la desintegración radiactiva de los átomos, jugando un papel crucial en la fisión y fusión nuclear.

Aunque a veces se describe su comportamiento mediante la "dinámica cuántica del sabor" (QFD, por sus siglas en inglés Quantum Flavor Dynamics), este término es poco usado. La teoría electrodébil (EWT, Electroweak Theory) describe de manera más precisa la fuerza débil.

La fuerza nuclear débil también se conoce como interacción débil o simplemente fuerza débil. Estos nombres varían según el contexto, pero todos aluden al mismo fenómeno en la física de partículas.

Antecedentes

El modelo estándar de física de partículas proporciona un marco uniforme para comprender las interacciones electromagnéticas, débiles y fuertes. Una interacción ocurre cuando dos partículas (típicamente, pero no necesariamente, fermiones de espín medio entero) intercambian bosones portadores de fuerza de espín entero. Los fermiones implicados en tales intercambios pueden ser elementales (p. ej., electrones o quarks) o compuestos (p. ej., protones o neutrones), aunque en los niveles más profundos, todas las interacciones débiles se producen en última instancia entre partículas elementales.

Modelo estándar de física de partículas.
Partículas elementales del modelo estándar.

En la interacción débil, los fermiones pueden intercambiar tres tipos de portadores de fuerza, a saber, los bosones W, W y Z. Las masas de estos bosones son mucho mayores que la masa de un protón o un neutrón, lo que es coherente con el corto alcance de la fuerza débil. De hecho, la fuerza se denomina débil porque la intensidad de su campo en cualquier distancia establecida suele ser varios órdenes de magnitud menor que la de la fuerza electromagnética, que a su vez es de varios órdenes de magnitud menor que la fuerza nuclear fuerte.

La interacción débil es la única interacción fundamental que rompe la simetría de paridad y, de manera similar, pero mucho más rara, la única interacción que rompe la simetría de paridad de carga.

Los quarks, que forman partículas compuestas como los neutrones y los protones, vienen en seis "sabores" (arriba, abajo, extraño, encanto, arriba y abajo) que dan a esas partículas compuestas sus propiedades. La interacción débil es única porque permite que los quarks cambien su sabor por otro. El intercambio de esas propiedades está mediado por los bosones portadores de fuerza. Por ejemplo, durante la desintegración beta menos, un quark down 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 antineutrino electrónico. Otro ejemplo importante de un fenómeno que involucra la interacción débil es la fusión de hidrógeno en helio que impulsa el proceso termonuclear del Sol.

La mayoría de los fermiones se descomponen por una interacción débil con el tiempo. Tal descomposición hace posible la datación por radiocarbono, ya que el carbono-14 se descompone a través de la interacción débil con el nitrógeno-14. También puede crear radioluminiscencia, comúnmente utilizada en la luminiscencia de tritio, y en el campo relacionado de la betavoltaica (pero no en la luminiscencia de radio similar).

La fuerza electrodébil se separó en las fuerzas electromagnética y débil durante la época de los quarks del universo primitivo.

Historia

En 1933, Enrico Fermi propuso la primera teoría de la interacción débil, conocida como interacción de Fermi. Sugirió que la desintegración beta podría explicarse por una interacción de cuatro fermiones, que involucra 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 la década de 1960, Sheldon Glashow, Abdus Salam y Steven Weinberg unificaron la fuerza electromagnética y la interacción débil al demostrar que eran dos aspectos de una sola fuerza, ahora denominada fuerza electrodébil.

La existencia de los bosones W y Z no se confirmó directamente hasta 1983.

Propiedades

La interacción débil cargada eléctricamente es única en varios aspectos:

Es la única interacción que puede cambiar el sabor de los quarks y los leptones (es decir, cambiar un tipo de quark por otro).
Es la única interacción que viola P o paridad-simetría. También es el único que viola la simetría CP de paridad carga.
Tanto las interacciones eléctricamente cargadas como las eléctricamente neutras están mediadas (propagadas) por partículas portadoras 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, tienen una vida corta con una vida útil de menos de 10 segundos. La interacción débil tiene una constante de acoplamiento (un indicador de la frecuencia con la que ocurren las interacciones) entre 10 y 10, en comparación con la constante de acoplamiento electromagnético de alrededor de 10 y la constante de acoplamiento de la interacción fuerte de 1; en consecuencia, la interacción débil es 'débil' en términos de intensidad. La interacción débil tiene un rango efectivo muy corto (alrededor de 10 a 10 m (0,01 a 0,1 fm)). A distancias alrededor de 10 metros (0,001 fm), la interacción débil tiene una intensidad de una magnitud similar a la fuerza electromagnética, pero esta comienza a disminuir exponencialmente a medida que aumenta la distancia. Ampliada en solo un orden y medio de magnitud, a distancias de alrededor de 3 × 10 m, la interacción débil se vuelve 10 000 veces más débil.

La interacción débil afecta a todos los fermiones del Modelo Estándar, así como al bosón de Higgs; los neutrinos interactúan solo a través de la gravedad y la interacción débil. La interacción débil no produce estados ligados ni involucra energía de ligadura – algo que la gravedad hace a escala astronómica, que la fuerza electromagnética hace a nivel molecular y atómico, y que la fuerza nuclear fuerte hace solo a nivel subatómico, dentro de núcleos

Su efecto más notable se debe a su primera característica única: la interacción débil cargada provoca un cambio de sabor. Por ejemplo, un neutrón es más pesado que un protón (su núcleo asociado) y puede decaer en un protón cambiando el sabor (tipo) de uno de sus dos quarks down a un quark up. Ni la interacción fuerte ni el electromagnetismo permiten el cambio de sabor, por lo que esto solo puede ocurrir mediante una descomposición débil; sin la desintegración débil, las propiedades de los quarks como la extrañeza y el encanto (asociadas con el quark extraño y el quark encanto, respectivamente) también se conservarían en todas las interacciones.

Todos los mesones son inestables debido a la desintegración débil. En el proceso conocido como decaimiento beta, un quark down en el neutrón puede convertirse en un quark up emitiendo un quark virtual.W bosón que luego se desintegra en un electrón y un antineutrino electrónico. Otro ejemplo es la captura de electrones, una variante común de la desintegración radiactiva, en la que un protón y un electrón dentro de un átomo interactúan y se transforman en un neutrón (un quark up se transforma en un quark down) y se emite un neutrino electrónico.

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 ocurrir mucho más lentamente que las transformaciones o desintegraciones que dependen solo de las fuerzas fuertes o electromagnéticas. Por ejemplo, un pión neutro se desintegra electromagnéticamente, por lo que tiene una vida de solo unos 10 segundos. Por el contrario, un pión cargado solo puede decaer a través de la interacción débil, por lo que vive unos 10 segundos, o cien millones de veces más que un pión neutro. Un ejemplo particularmente extremo es el decaimiento de fuerza débil de un neutrón libre, que toma alrededor de 15 minutos.

Isospín débil e hipercarga débil

Generación 1	Generación 2	Generación 3
Fermión	Símbolo	Isospín débil	Fermión	Símbolo	Isospín débil	Fermión	Símbolo	Isospín débil
neutrino electrónico	v_mi	++1/2	neutrino muón	v_m	++1/2	neutrino tau	v_τ	++1/2
Electrón	mi	−+1/2	muón	m	−+1/2	Tau	τ	−+1/2
quark arriba	tu	++1/2	encanto quark	C	++1/2	quark superior	t	++1/2
quark abajo	d	−+1/2	Quark extraño	s	−+1/2	Quark inferior	b	−+1/2
Todas las partículas levógiras (regulares) anteriores tienen antipartículaslevógiras correspondientes con isospín débil igual y opuesto.
Todas las partículas dextrógiras (regulares) y las antipartículas dextrógiras tienen un isospín débil de 0.

Todas las partículas tienen una propiedad llamada isospín débil (símbolo T ₃), que sirve como un número cuántico aditivo que restringe cómo la partícula puede interactuar con elWde la fuerza débil. El isospín débil juega el mismo papel en la interacción débil conWcomo lo hace la carga eléctrica en el electromagnetismo, y la carga de color en la interacción fuerte; un número diferente con un nombre similar, carga débil, que se analiza a continuación, se utiliza para las interacciones con elZ. Todos los fermiones zurdos tienen un valor de isospín débil de ++1/2o -+1/2; todos los fermiones diestros tienen 0 isospín. Por ejemplo, el quark up tiene T ₃ = + +1/2 y el quark down tiene T ₃ = − +1/2. Un quark nunca decae a través de la interacción débil en un quark del mismo T ₃: Quarks con un T ₃ de ++1/2sólo decaen en quarks con un T ₃ de −+1/2y viceversa.

En cualquier interacción dada, el isospín débil se conserva: la suma de los números de isospín débil de las partículas que entran en la interacción es igual a la suma de los números de isospín débil de las partículas que salen de esa interacción. Por ejemplo, un (zurdo) π, con un isospin débil de +1 normalmente decae en un v_m (con T ₃ = + +1/2) y unm (como una antipartícula diestra, ++1/2).

Para el desarrollo de la teoría electrodébil se inventó otra propiedad, la hipercarga débil, definida como: ${displaystyle Y_{text{W}}=2,left(,Q-T_{3},right)~,}$

donde Y _W es la hipercarga débil de una partícula con carga eléctrica Q (en unidades elementales de carga) e isospín débil T ₃. La hipercarga débil es el generador del componente U(1) del grupo de calibre electrodébil; mientras que algunas partículas tienen un isospin débil de cero, todos los spin conocidos 1/2las partículas tienen una hipercarga débil distinta de cero.

Tipos de interacción

Hay dos tipos de interacción débil (llamados vértices). El primer tipo se denomina "interacción de corriente cargada" porque los fermiones que interactúan débilmente forman una corriente con una carga eléctrica total distinta de cero. El segundo tipo se denomina "interacción de corriente neutra" porque los fermiones que interactúan débilmente forman una corriente con carga eléctrica total de cero. Es responsable de la (rara) desviación de los neutrinos. Los dos tipos de interacción siguen reglas de selección diferentes. Esta convención de nomenclatura a menudo se malinterpreta para etiquetar la carga eléctrica de W y Zbosones, sin embargo, la convención de nombres es anterior al concepto de los bosones mediadores, y claramente (al menos en el nombre) etiqueta la carga de la corriente (formada a partir de los fermiones), no necesariamente los 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 unW bosón (una partícula con una carga de +1) y convertirse así 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 leptón en la interacción, por ejemplo: $mu^-+ W^+a nu_mu$

De manera similar, un quark de tipo abajo (d con una carga de − ¹ ⁄ ₃) se puede convertir en un quark de tipo arriba (u, con una carga de + ² ⁄ ₃), emitiendo unW bosón o absorbiendo unW bosón Más precisamente, el quark tipo abajo se convierte en una superposición cuántica de quarks tipo arriba: es decir, tiene la posibilidad de convertirse en cualquiera de los tres quarks tipo arriba, con las probabilidades dadas en las tablas de matrices CKM. Por el contrario, un quark de tipo up puede emitir unW bosón, o absorber unWbosón, y por lo tanto convertirse en un quark de tipo abajo, por ejemplo: ${begin{alineado}d&a u+W^{-}\d+W^{+}&a u\c&a s+W^{+}\c+W^{-} &para send{alineado}}$

El bosón W es inestable, por lo que decaerá rápidamente, con una vida útil muy corta. Por ejemplo: ${begin{alineado}W^{-}&to e^{-}+{bar nu }_{e}~\W^{+}&to e^{+}+nu _ {e}~end{alineado}}$

Puede ocurrir la descomposición de un bosón W en otros productos, con diferentes probabilidades.

En la llamada desintegración beta de un neutrón (ver imagen arriba), un quark down dentro del neutrón emite un virtualWbosón y por lo tanto se convierte en un quark up, convirtiendo el neutrón en un protón. Debido a la energía limitada involucrada en el proceso (es decir, la diferencia de masa entre el quark down y el quark up), el virtualWEl bosón solo puede transportar suficiente energía para producir un electrón y un electrón-antineutrino, las dos masas más bajas posibles entre sus posibles productos de desintegración. A nivel de quarks, el proceso se puede representar como: $dto u+ e^- + barnu_e~$

Interacción neutro-corriente

En interacciones de corriente neutra, un quark o un leptón (p. ej., un electrón o un muón) emite o absorbe un bosón Z neutro. Por ejemplo: ${displaystyle e^{-}toe^{-}+Z^{0}}$

Como elW bosones, losZ bosón también se desintegra rápidamente, por ejemplo: ${displaystyle Z^{0}a b+{bar {b}}}$

A diferencia de la interacción de corriente cargada, cuyas reglas de selección están estrictamente limitadas por la quiralidad, la carga eléctrica y/o el isospín débil, la interacción de corriente neutra Z La interacción puede hacer que dos fermiones en el modelo estándar se desvíen: partículas o antipartículas, con cualquier carga eléctrica, y quiralidad izquierda y derecha, aunque la fuerza de la interacción es diferente.

La carga débil del número cuántico (Q _w) cumple el mismo papel en la interacción de la corriente neutra con el Z que hace la carga eléctrica (Q, sin subíndice) en la interacción electromagnética: Cuantifica la parte vectorial de la interacción. Su valor viene dado por: ${displaystyle Q_{text{W}}=2,T_{3}-4,Q,sin ^{2}theta_{text{W}}=2,T_{3} -Q+left(1-4,sin ^{2}theta _{text{W}}right),Q~.}$

Dado que el ángulo de mezcla débil ${displaystyle ~theta_{text{W}}approx 29^{circ }~,}$ la expresión entre paréntesis ${displaystyle ~left(1-4,sin ^{2}theta _{text{W}}right)approx 0.060~,}$ con su valor variando ligeramente con la diferencia de cantidad de movimiento (llamada “ corrida ”) entre las partículas involucradas. Por lo tanto ${displaystyle Q_{text{W}}approx 2,T_{3}-Q=operatorname {sgn}(Q),left(1-left|Qright|right)~, }$

ya que por convención ${displaystyle ~operatorname {sgn} T_{3}equiv operatorname {sgn} Q~,}$ y para todos los fermiones involucrados en la interacción débil ${displaystyle ~T_{3}=pm {tfrac{1}{2}}~.}$ La carga débil de los leptones cargados es cercana a cero, por lo que interactúan principalmente con el bosón Z a través del acoplamiento axial.

Teoría electrodébil

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 recibieron el Premio Nobel de Física de 1979 por su trabajo. El mecanismo de Higgs proporciona una explicación para la presencia de tres bosones de calibre masivos (W,W,Z, 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 muy altas energías, el universo tiene cuatro componentes del campo de Higgs cuyas interacciones son transportadas por cuatro bosones de calibre sin masa, cada uno similar al fotón, formando un doblete escalar complejo del campo de Higgs. Asimismo, hay cuatro bosones electrodébiles sin masa. Sin embargo, a bajas energías, esta simetría de calibre se descompone espontáneamente en la simetría U(1) del electromagnetismo, ya que uno de los campos de Higgs adquiere un valor esperado de vacío. Ingenuamente, se esperaría que la ruptura de la simetría produjera tres bosones sin masa, pero en cambio esos tres bosones de Higgs "adicionales" se incorporan a los tres bosones débiles, que luego adquieren masa a través del mecanismo de Higgs. Estos tres bosones compuestos son losW,W, yZ bosones realmente observados en la interacción débil. El cuarto bosón de norma electrodébil es el fotón (γ) del electromagnetismo, que no se acopla a ninguno de los campos de Higgs y, por lo tanto, permanece sin masa.

Esta teoría ha hecho una serie de predicciones, incluida una predicción de las masas de losZyW bosones antes de su descubrimiento y detección en 1983.

El 4 de julio de 2012, los equipos experimentales CMS y ATLAS en el Gran Colisionador de Hadrones anunciaron de forma independiente que habían confirmado el descubrimiento formal de un bosón previamente desconocido de masa entre 125 y 127 GeV/ c², cuyo comportamiento hasta el momento era "consistente con " un bosón de Higgs, al tiempo que agrega una nota cautelosa de que se necesitan más datos y análisis antes de identificar positivamente que el nuevo bosón es un bosón de Higgs de algún tipo. El 14 de marzo de 2013, se confirmó provisionalmente la existencia de un bosón de Higgs.

En un caso especulativo en el que se redujera la escala de ruptura de simetría electrodébil, la interacción SU(2) ininterrumpida eventualmente se convertiría en confinamiento. Los modelos alternativos donde SU(2) se convierte en confinamiento por encima de esa escala parecen cuantitativamente similares al modelo estándar a energías más bajas, pero dramáticamente diferentes por encima de la ruptura de simetría.

Violación de simetría

Durante mucho tiempo se pensó que las leyes de la naturaleza permanecían iguales bajo el reflejo de un espejo. 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 construida por separado del aparato experimental visto a través del espejo. Se sabía que esta llamada ley de conservación de la paridad era respetada por la gravitación clásica, el electromagnetismo y la interacción fuerte; se suponía 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 les valió a Yang y Lee el Premio Nobel de Física de 1957.

Aunque la teoría de Fermi describió una vez la interacción débil, el descubrimiento de la violación de la paridad y la teoría de la renormalización sugirieron que se necesitaba un nuevo enfoque. En 1957, Robert Marshak y George Sudarshan y, algo más tarde, Richard Feynman y Murray Gell-Mann propusieron un Lagrangiano V − A (vector menos vector axial o zurdo) para interacciones débiles. En esta teoría, la interacción débil actúa solo sobre partículas levógiras (y antipartículas levógiras). Dado que el reflejo especular de una partícula levógira es levógira, 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 dextrógiros que intervienen en la interacción de la corriente neutra.

Sin embargo, esta teoría permitió conservar una simetría compuesta CP. CP combina la paridad P (cambio de izquierda a derecha) con la conjugación de carga C (cambio de partículas con antipartículas). Los físicos se sorprendieron nuevamente cuando, en 1964, James Cronin y Val Fitch proporcionaron evidencia clara en las desintegraciones de kaón de que la simetría CP también podría romperse, 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,prediciendo efectivamente la existencia de una tercera generación entonces desconocida. Este descubrimiento les valió la mitad del Premio Nobel de Física de 2008.

A diferencia de la violación de paridad, la violación de CP ocurre solo en circunstancias excepcionales. A pesar de su aparición limitada en las condiciones actuales, se cree ampliamente 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.