Interacción débil


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

En física nuclear y física de partículas , la interacción débil , que a menudo también se denomina fuerza débil o fuerza nuclear débil , es el mecanismo de interacción entre partículas subatómicas responsable de la desintegración radiactiva de los átomos. La interacción débil participa en la fisión nuclear , y la teoría que describe su comportamiento y efectos a veces se denomina dinámica cuántica del sabor ( QFD ). Sin embargo, el término QFD se usa raramente, porque la fuerza débil se entiende mejor por la teoría electrodébil (EWT). [1]

El rango efectivo de la fuerza débil se limita a distancias subatómicas y es menor que el diámetro de un protón. Es una de las cuatro interacciones fundamentales conocidas relacionadas con la fuerza de la naturaleza, junto con la interacción fuerte , el electromagnetismo y la gravitación . [2]

Fondo

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 de medio entero ) intercambian bosones portadores de fuerza de espín entero . Los fermiones involucrados en dichos intercambios pueden ser elementales (por ejemplo, electrones o quarks ) o compuestos (por ejemplo, protones o neutrones ), aunque en los niveles más profundos, todas las interacciones débiles en última instancia son entre partículas elementales .

En la interacción débil, fermiones pueden intercambiar tres tipos de portadores de fuerza, es decir W + , W - , y bosones Z . Las masas de estos bosones son mucho mayores que la masa de un protón o neutrón, lo cual es consistente con el corto rango 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 forman partículas compuestas como neutrones y protones, vienen en seis "sabores" - arriba, abajo, extraño, encantador, superior e inferior - que le dan a esas partículas compuestas sus propiedades. La interacción débil es única porque permite a los quarks cambiar 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 abajo dentro de un neutrón se convierte en un quark arriba, 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 a lo largo del tiempo. Tal desintegración 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 con tritio , y en el campo relacionado de los betavoltaicos . [3]

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

Durante la época de los quarks del universo temprano , la fuerza electrodébil se separó en las fuerzas electromagnética y débil.

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 implica una fuerza de contacto sin rango. [4] [5]

Sin embargo, se describe mejor como un campo de fuerza sin contacto que tiene un rango finito, aunque muy corto. [ cita requerida ] En la década de 1960, Sheldon Glashow , Abdus Salam y Steven Weinberg unificaron la fuerza electromagnética y la interacción débil al mostrar que eran dos aspectos de una sola fuerza, ahora denominada fuerza electrodébil. [6] [7]

La existencia de los bosones W y Z no se confirmó directamente hasta 1983. [8]

Propiedades

Un diagrama que muestra las rutas de desintegración debido a la interacción débil cargada y alguna indicación de su probabilidad. La intensidad de las líneas viene 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 los quarks (es decir, cambiar un tipo de quark en otro).
  • Es la única interacción que viola P o paridad-simetría . También es el único que viola la simetría CP de paridad de carga .
  • Tanto las interacciones eléctricamente cargadas como eléctricamente neutrales 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 2 [9] ), estas partículas portadoras, llamadas bosones W y Z, tienen una vida corta con una vida útil de menos de 10-24  segundos. [10] La interacción débil tiene una constante de acoplamiento (un indicador de la fuerza de interacción) de entre 10 −7 y 10 −6 , en comparación con la constante de acoplamiento de la interacción fuerte de 1 y la constante de acoplamiento electromagnético de aproximadamente 10 −2 ; [11] en consecuencia, la interacción débil es "débil" en términos de fuerza. [12] La interacción débil tiene un rango efectivo muy corto (alrededor de 10-17 a 10−16  m [12] ). [11] A distancias de alrededor de 10-18 metros, la interacción débil tiene una fuerza de una magnitud similar a la fuerza electromagnética, pero esta comienza a disminuir exponencialmente al aumentar 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. [13]

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 hace la gravedad a escala astronómica , que la fuerza electromagnética hace a nivel atómico y que la fuerza nuclear fuerte hace dentro de los núcleos. [14]

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 nucleón asociado ) y puede descomponerse 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 se produce por una desintegración débil ; sin una desintegración débil, las propiedades de los quarks como la rareza y el encanto (asociados con los quarks Extraños y los quarks encanto, respectivamente) también se conservarían en todas las interacciones.

Todos los mesones son inestables debido a una desintegración débil. [15] [a] En el proceso conocido como desintegración beta , un quark abajo en el neutrón puede transformarse en un quark arriba emitiendo un quark virtual
W-
 bosón que luego se convierte en un electrón y un electrón antineutrino . [16] 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 cambian a un neutrón (un quark arriba se cambia a un quark abajo) y un neutrino electrónico es emitido.

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 únicamente de las fuerzas fuertes o electromagnéticas. [b] Por ejemplo, un pión neutro se desintegra electromagnéticamente, por lo que tiene una vida de sólo unos 10-16  segundos. Por el contrario, un pión cargado solo puede descomponerse a través de la interacción débil, por lo que vive entre 10 y 8  segundos, o cien millones de veces más que un pión neutro. [17] Un ejemplo particularmente extremo es la desintegración de fuerza débil de un neutrón libre, que tarda unos 15 minutos. [dieciséis]

Isospin débil e hipercarga débil

Todas las partículas tienen una propiedad llamada isospín débil (símbolo T 3 ), que sirve como un número cuántico aditivo que restringe cómo puede comportarse la partícula en la interacción débil. La isospina 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 . Todos los zurdos fermiones tienen un valor isospín débil de cualquiera + + 1 / 2 o - + 1 / 2 ; todos los fermiones diestros tienen 0 isospin. Por ejemplo, el quark arriba tiene T 3 = + + 1 / 2 y el quark abajo tiene T 3 = - + 1 / 2 . Un quark nunca se desintegra a través de la interacción débil en un quark de la misma T 3 : Quarks con una T 3 de + + 1 / 2 sólo se desintegran en quarks con un T 3 de - + 1 / 2 y viceversa.


π+
decaer a través de la interacción débil

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 se descompone en un
ν
μ
( Con T 3 = + + 1 / 2 ) y una
μ+
( Como una antipartícula diestro, + + 1 / 2 ) . [17]

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

donde Y W es la hipercarga débil de una partícula con carga eléctrica Q (en unidades de carga elementales ) 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 isospín débil de cero, todos conocidos de espín  1 / 2 partículas tienen un hipercarga débil no cero. [C]

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 carga eléctrica total distinta de cero. El segundo tipo se denomina " interacción corriente neutra " porque los fermiones que interactúan débilmente forman una corriente con carga eléctrica total cero. Es responsable de la (rara) desviación de neutrinos . Los dos tipos de interacción siguen diferentes reglas de selección.. 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 bosones mediadores y claramente (al menos en el nombre) etiqueta la carga de la corriente (formada a partir de los fermiones), no los bosones.

Interacción de corriente cargada

El diagrama de Feynman para la desintegración beta-menos de un neutrón en un protón , electrón y antineutrino de electrones , a través de un pesado intermedio
W-
 bosón

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 lepton en la interacción, por ejemplo:

De manera similar, un quark de tipo descendente ( d con una carga de - 13 ) se puede convertir en un quark de tipo ascendente ( u , con una carga de + 23 ), emitiendo un
W-
 bosón o absorbiendo un
W+
 bosón. Más precisamente, el quark de tipo down se convierte en una superposición cuántica de quarks de tipo up: es decir, tiene la posibilidad de convertirse en cualquiera de los tres quarks de tipo up, con las probabilidades dadas en las tablas de la matriz CKM . Por el contrario, un quark up-type puede emitir un
W+
 bosón, o absorber un
W-
boson y, por lo tanto, se convierte en un quark de tipo descendente, por ejemplo:

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

Puede ocurrir la desintegración de un bosón W a otros productos, con diferentes probabilidades. [19]

En el llamado desintegración beta de un neutrón (ver foto, 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 down y el quark up), la
W-
El bosón solo se puede convertir en un electrón y un electrón-antineutrino. [20] A nivel de quarks, 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 neutro . Por ejemplo:

Como el
W±
 bosones, el
Z0
 bosón también decae rápidamente, [19] por ejemplo:

A diferencia de la interacción corriente cargada, cuyas reglas de selección están estrictamente limitadas por quiralidad, carga eléctrica y / o isospín débil, la corriente neutra
Z0
La interacción puede hacer que dos fermiones cualesquiera en el modelo estándar se desvíen: partículas y antipartículas de cualquier carga eléctrica, y quiralidad izquierda y derecha, aunque la fuerza de la interacción difiere. [D]

La carga débil de número cuántico ( Q W ) cumple el mismo papel en la interacción de la corriente neutra con el
Z0
que la carga eléctrica ( Q , sin subíndice) hace en la interacción electromagnética : cuantifica la parte vectorial de la interacción. Su valor viene dado por: [21]

Dado que el ángulo de mezcla es débil, la expresión entre paréntesis con su valor varía ligeramente con la diferencia de momento ( funcionamiento ) entre las partículas involucradas. Por eso

ya que por convención y para todos los fermiones implicados en la interacción débil La carga débil de leptones cargados es entonces cercana a cero, por lo que estos en su mayoría interactúan a través del acoplamiento axial con el Z .

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 fueron galardonados con el Premio Nobel de Física de 1979 por su trabajo. [22] El mecanismo de Higgs proporciona una explicación de la presencia de tres bosones gauge masivos (
W+
,
W-
,
Z0
, los tres portadores de la interacción débil) y el fotón sin masa ( γ , el portador de la interacción electromagnética). [23]

Según la teoría electrodébil, a energías muy altas, el universo tiene cuatro componentes del campo de Higgs cuyas interacciones son transportadas por cuatro bosones gauge sin masa , cada uno similar al fotón , formando un complejo doblete escalar del campo de Higgs. Asimismo, hay cuatro bosones electrodébiles sin masa. Sin embargo, a bajas energías, esta simetría de gauge 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 "extra" se incorporan a los tres bosones débiles que luego adquieren masa a través del mecanismo de Higgs . Estos tres bosones compuestos son los
W+
,
W-
, y
Z0
 bosones de la interacción débil. El cuarto bosón gauge electrodébil es el fotón del electromagnetismo, que no se acopla a ninguno de los campos de Higgs y permanece sin masa. [23]

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

El 4 de julio de 2012, los equipos experimentales de 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 / c 2 , cuyo comportamiento hasta ahora 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 el nuevo bosón como un bosón de Higgs de algún tipo. El 14 de marzo de 2013, se confirmó tentativamente la existencia de un bosón de Higgs. [24]

En un caso especulativo en el que se redujera la escala de ruptura de la simetría electrodébil , la interacción SU (2) ininterrumpida eventualmente se volvería confinante . Los modelos alternativos donde SU (2) se vuelve confinado 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. [25]

Violación de la simetría

Partículas diestras y zurdas : p es el momento de la partícula y S es su giro . Nótese la falta de simetría reflectante entre los estados.

Durante mucho tiempo se pensó que las leyes de la naturaleza seguían siendo las mismas bajo el reflejo del 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 un espejo construida por separado del aparato experimental observado 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 asumió que era una ley universal. [26] 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 descubrieron en 1957 que la interacción débil viola la paridad, lo que le valió a Yang y Lee el Premio Nobel de Física de 1957 . [27]

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 sugirió 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 V - A ( vector menos vector axial o zurdo) lagrangianopara interacciones débiles. En esta teoría, la interacción débil actúa solo sobre partículas zurdas (y antipartículas diestras). Dado que el reflejo en el espejo de una partícula zurda 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 de la mano derecha que entran 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 pruebas claras en las desintegraciones de kaones de que la simetría CP también podría romperse, lo que les valió el Premio Nobel de Física de 1980 . [28] En 1973, Makoto Kobayashi y Toshihide Maskawa demostraron que CPla violación en la interacción débil requirió más de dos generaciones de partículas, [29] prediciendo efectivamente la existencia de una tercera generación entonces desconocida. Este descubrimiento les valió la mitad del Premio Nobel de Física de 2008. [30]

A diferencia de la violación de paridad, la violación de CP  ocurre solo en raras circunstancias. 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 . [31]

Ver también

  • Universo débil : el postulado de que las interacciones débiles no son antrópicamente necesarias.
  • Gravedad
  • Fuerte interacción
  • Electromagnetismo

Notas al pie

  1. Sin embargo, el pión neutro se desintegra electromagnéticamente, y la mayoría de los mesones se desintegran fuertemente, cuando sus números cuánticos lo permiten.
  2. La excepción prominente, pero posiblemente única, a esta regla es la desintegración del quark top , cuya masa excede la masa del quark bottom y losbosones W en los que se desintegra.
  3. Algunos fermiones hipotéticos, como los neutrinos estériles , tendrían cero hipercarga débil; de hecho, no tendrían cargas de calibre de ningún tipo. La existencia de tales partículas es un área activa de investigación.
  4. ^ Los únicos fermiones que el
    Z0
    hace no interactúan con son los hipotéticos neutrinos "estériles" : anti-neutrinos Left-quirales y neutrinos derecha-quirales. Se les llama "estériles" porque no interactuarían con ninguna partícula del Modelo Estándar, pero hasta ahora siguen siendo completamente una conjetura; no se sabe que existan tales neutrinos.

Referencias

Citas

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enlaces externos

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  • Brian Koberlein , ¿Qué es la fuerza débil?
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