Interacción débil

La desintegración de beta radiactiva se debe a la interacción débil, que transforma un neutrón en un protón, un electrón y un antineutrino de electrones.

En física nuclear y física de partículas, la interacción débil, que también suele denominarse fuerza débil o fuerza nuclear débil, es una de las cuatro interacciones fundamentales conocidas, siendo las otras el electromagnetismo, la interacción fuerte y la gravitación. Es el mecanismo de interacción entre partículas subatómicas el responsable de la desintegración radiactiva de los átomos: La interacción débil participa en la fisión nuclear y la fusión nuclear. La teoría que describe su comportamiento y efectos a veces se denomina dinámica cuántica del sabor (QFD); sin embargo, el término QFD rara vez se usa, porque la teoría electrodébil (EWT) comprende mejor la fuerza débil.

El rango efectivo de la fuerza débil está limitado a distancias subatómicas y es menor que el diámetro de un protón.

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 involucrados 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 dan en última instancia entre partículas elementales.

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 más 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 neutrones y 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 implica 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 luminiscencia de tritio, y en el campo relacionado de betavoltaica (pero no 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

Un diagrama que representa las rutas de decaimiento debido a la interacción débil cargada y alguna indicación de su probabilidad. La intensidad de las líneas es dada por los parámetros CKM.

La interacción débil cargada eléctricamente es única en varios aspectos:

• Es la única interacción que puede cambiar el sabor de quarks y leptons (es decir, de cambiar un tipo de quark en otro).
• Es la única interacción que viola P, o simetría de paridad. También es el único que viola la simetría CP de carga – paridad.
• Tanto las interacciones eléctricamente cargadas como las eléctricamente neutrales son mediadas (propagadas) por partículas portadoras de fuerza que tienen masas significativas, una característica inusual que se explica en el Modelo Estándar por el mecanismo Higgs.

Debido a su gran masa (aproximadamente 90 GeV/c²), estas partículas portadoras, denominadas W y Los bosones Z son de corta duración, con una duración de menos de 10⁻²⁴ segundos. La interacción débil tiene una constante de acoplamiento (un indicador de la frecuencia con la que ocurren las interacciones) entre 10⁻⁷ y 10⁻⁶, en comparación con la constante de acoplamiento electromagnético de aproximadamente 10⁻² y la constante de acoplamiento de 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 10⁻¹⁷ a 10⁻¹⁶ m (0,01 a 0,1 fm)). A distancias de alrededor de 10⁻¹⁸ metros (0,001 fm), la interacción débil tiene una intensidad de una magnitud similar a la fuerza electromagnética, pero comienza a disminuir exponencialmente a medida que aumenta la distancia. Ampliada en solo un orden y medio de magnitud, a distancias de alrededor de 3×10⁻¹⁷ 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 implica energía de enlace, algo que la gravedad hace a escala astronómica, la fuerza electromagnética a nivel molecular y atómico, y la fuerza nuclear fuerte 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 abajo a uno arriba quark. Ni la interacción fuerte ni el electromagnetismo permiten el cambio de sabor, por lo que esto solo puede ocurrir mediante 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 abajo en el neutrón puede convertirse en un quark arriba emitiendo un
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 (por ejemplo, cambios 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 10⁻¹⁶ segundos. Por el contrario, un pión cargado solo puede decaer a través de la interacción débil, por lo que vive unos 10⁻⁸ 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.

Isospin débil e hipercarga débil

Todas las partículas tienen una propiedad llamada isospin débil (símbolo T_{3), que sirve como un número cuántico aditivo que restringe cómo la partícula puede interactuar con el
W ^±
de la fuerza débil. El isospín débil juega el mismo papel en la interacción débil con
W^±
como 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
Z⁰
. Todos los fermiones zurdos tienen un valor de isospín débil de ++< span class="num">1/2 o < span role="math" class="sfrac">−+1< span class="solo-sr">/2; todos los fermiones diestros tienen 0 isospín. Por ejemplo, el quark arriba tiene T3 = ++1/2 y el quark down tiene T3 = −+1/< span class="den">2. Un quark nunca decae a través de la interacción débil en un quark del mismo T3: Quarks con una T< sub>3} de ++1/2 solo se descomponen en quarks con una T< /span>₃ de −+< span class="num">1/2 y viceversa.

π⁺
decaimiento a través de la interacción débil

En cualquier interacción fuerte, electromagnética o débil 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
ν
_{μ< /sub>} (con T< sub>3 = ++1/2) y a
μ ⁺
(como antipartícula diestra, ++1/2).

Para el desarrollo de la teoría electrodébil, se inventó otra propiedad, la hipercarga débil, definida como

${displaystyle Y...$

donde Y_W es la hipercarga débil de una partícula con carga eléctrica Q (en unidades de carga elementales) e isospín débil T< /span>₃. La hipercarga débil es el generador del componente U(1) del grupo de calibre electrodébil; mientras que algunas partículas tienen un isospín débil de cero, todas las partículas de espín 1/2 conocidas 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 de débil interacción forman una corriente con una carga eléctrica total distinta de cero. El segundo tipo se denomina "interacción de corriente neutra" porque los fermiones débilmente interactuando 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 los bosones W y Z, sin embargo, la convención de nomenclatura 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

El diagrama Feynman para la desintegración beta-minus de un neutrón en un protón, electrones y electrones anti-neutrino, a través de un pesado intermedio
W⁻
Boson

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 bosón W+ (una partícula con una carga de +1) y, por lo tanto, convertirse 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:

${displaystyle mu ^{-}+W^{+}to nu _{mu }$

Del mismo modo, un quark tipo abajo (d con una carga de −1 ⁄3) se puede convertir en un quark de tipo up (u, con una carga de +2⁄3), emitiendo un
W⁻
bosón o absorbiendo un
W⁺
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 una
W⁺
bosón, o absorber un
W⁻
bosón, y así convertirse en un quark de tipo abajo, por ejemplo:

${displaystyle {begin{aligned}d u+W^{-}d+W^{+} S+W^{+}c+W^{-}$

El bosón W es inestable, por lo que se desintegrará rápidamente, con una vida útil muy corta. Por ejemplo:

${displaystyle {begin{aligned}W^{-} {to e^{-}+{bar {nu} ################################################################################################################################################################################################################################################################ ¿Qué?$

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

En el llamado decaimiento beta de un neutrón (ver imagen arriba), un quark down dentro del neutrón emite un
< /span>W⁻
bosón 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
W< sup style="font-size:inherit;line-height:inherit;vertical-align:baseline">−
El bosón solo puede transportar la energía suficiente para producir un electrón y un antineutrino electrónico, las dos masas más bajas posibles entre sus posibles productos de desintegración. A nivel de quarks, el proceso se puede representar como:

${displaystyle dto u+e^{-}+{bar {nu} ♪♪$

Interacción neutro-corriente

En interacciones de corriente neutra, un quark o un leptón (por ejemplo, un electrón o un muón) emite o absorbe un bosón Z neutro. Por ejemplo:

${displaystyle e^{-}to e^{-}+Z^{0}$

Como
W^±
bosones, los
Z⁰
el bosón también se descompone rápidamente, por ejemplo:

${displaystyle Z^{0}to b+{b}}$

A diferencia de la interacción de corriente cargada, cuyas reglas de selección están estrictamente limitadas por la quiralidad, la carga eléctrica, y/o isospin débil, la corriente neutra
Z^{0< /sup>}
la interacción puede causar Cualquier par de fermiones en el modelo estándar para desviar: partículas o antipartículas, con cualquier carga eléctrica, y tanto la quiralidad izquierda como la derecha, aunque la fuerza de la interacción difiere.

El número cuántico carga débil (Q_{W) cumple la misma función en la interacción de corriente neutra con
Z⁰
que hace la carga eléctrica (Q, sin subíndice) en la interacción electromagnética: Cuantifica la parte vectorial de la interacción. Su valor viene dado por:}

${displaystyle Q_{text{W}}=2,T_{3}-4,Q,sin ^{2}theta _{text{W}}=2,T_{3}-Q+(1-4,sin ^{2}theta _{W}}),Q.}$

Desde el ángulo de mezcla débil ${displaystyle ~theta _{text{W}approx 29^{circ }~,}$ la expresión parentética ${displaystyle (1-4,sin ^{2}theta _{text{W})approx 0.060,}$ con su valor variable ligeramente con la diferencia de impulso (llamado “correr”) entre las partículas implicadas. Por lo tanto

${displaystyle Q_{text{W}approx 2,T_{3}-Q=operatorname {sgn}(Q),{big (}1-responsable{big)},}$

por convención ${displaystyle operatorname {sgn} T_{3}equiv operatorname {sgn} Q,}$ y para todos los fermions involucrados en la débil interacción ${displaystyle T_{3}=pm {tfrac {1}{2}}$ La carga débil de los leptones cargados es entonces cerca de cero, por lo que estos interactúan principalmente con los ZBoson 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 sola 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 norma masivos (
W⁺
,
W⁻
,
Z< sup style="font-size:inherit;line-height:inherit;vertical-align:baseline">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 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, que forman 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 bosones "extra" tres bosones de Higgs se incorporan a los tres bosones débiles, que luego adquieren masa a través del mecanismo de Higgs. Estos tres bosones compuestos son
W⁺
,
W⁻
y
Z ⁰
bosones realmente observados en la interacción débil. El cuarto bosón de calibre electrodébil es el fotón (γ) del electromagnetismo, que no se acopla a ninguno de los campos de Higgs, por lo que permanece sin masa

Esta teoría ha hecho una serie de predicciones, incluida una predicción de las masas de los
Z
y
W
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 ahora fue "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 ininterrumpida SU(2) eventualmente se volvería restrictiva. 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

Partículas zurdas y derechas: p es el impulso y el impulso de la partícula S es su giro. Observe la falta de simetría reflexiva entre los estados.

Durante mucho tiempo se pensó que las leyes de la naturaleza seguían siendo las mismas 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 entran en la interacción de la corriente neutra.

Sin embargo, esta teoría permitía 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 infracción de paridad, la infracción de CP solo se produce en circunstancias excepcionales. A pesar de su presencia 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.