Interacción débil

En física nuclear y física de partículas , la interacción débil , 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 responsable de la desintegración beta radiactiva de los átomos: la interacción débil participa en la fisión nuclear y la fusión nuclear . La teoría que describe su comportamiento y efectos se denomina a veces dinámica de sabores cuánticos ( QFD ); sin embargo, el término QFD se usa raramente, ya que la fuerza débil se comprende mejor mediante la teoría electrodébil (EWT). ^{[ 1 ]}

El alcance efectivo de la fuerza débil se limita a distancias subatómicas y es menor que el diámetro de un protón. ^{[ 2 ]}

El Modelo Estándar de la física de partículas proporciona un marco uniforme para comprender las interacciones electromagnéticas, débiles y fuertes. Una interacción ocurre cuando dos partículas (típicamente, aunque no necesariamente, fermiones de espín semientero ) intercambian bosones portadores de fuerza con espín entero . Los fermiones involucrados en tales 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 se producen 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 cual es consistente con el corto alcance de la fuerza débil. ^{[ 3 ]} De hecho, la fuerza se denomina débil porque su intensidad de campo a cualquier distancia dada es típicamente varios órdenes de magnitud menor que la de la fuerza electromagnética, que a su vez es 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, aunque mucho menos frecuente, la única interacción que rompe la simetría carga-paridad .

Los quarks , que componen partículas como neutrones y protones, tienen seis "sabores" —arriba , abajo, encanto, extraño, cima y fondo— que les confieren sus propiedades. La interacción débil es única porque permite que los quarks intercambien su sabor. Este intercambio de propiedades está mediado por los bosones portadores de fuerza. Por ejemplo, durante la desintegración beta-menos , un quark abajo dentro de un neutrón se transforma en un quark arriba, convirtiendo así el neutrón en un protón y dando como resultado la emisión de un electrón y un antineutrino electrónico.  

La interacción débil es importante en la fusión del hidrógeno en helio en una estrella. Esto se debe a que puede convertir un protón (hidrógeno) en un neutrón que puede fusionarse con otro protón para formar deuterio , lo cual es importante para la continuación de la fusión nuclear y la formación de helio. La acumulación de neutrones facilita la formación de núcleos pesados ​​en una estrella. ^{[ 3 ]}

La mayoría de los fermiones se desintegran con el tiempo mediante una interacción débil. Esta desintegración hace posible la datación por radiocarbono , ya que el carbono-14 se desintegra a través de la interacción débil en nitrógeno-14 . También puede generar radioluminiscencia , comúnmente utilizada en la luminiscencia del tritio y en el campo relacionado de la betavoltaica ^{[ 4 ]} (pero no similar a la luminiscencia del radio ).

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

En 1933, Enrico Fermi propuso la primera teoría de la interacción débil, conocida como interacción de Fermi . Sugirió que la desintegración beta podría explicarse mediante una interacción de cuatro fermiones , que implica una fuerza de contacto sin alcance. ^{[ 5 ] [ 6 ]}

A mediados de la década de 1950, Chen-Ning Yang y Tsung-Dao Lee sugirieron por primera vez que la quiralidad de los espines de las partículas en la interacción débil podría violar la ley de conservación o simetría. En 1957, el experimento de Wu , llevado a cabo por Chien Shiung Wu y colaboradores, confirmó la violación de la simetría . ^{[ 7 ]}

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. ^{[ 8 ] [ 9 ]}

La existencia de los bosones W y Z  no se confirmó directamente hasta 1983. ^{[ 10 ] (p8)}

La interacción débil con carga eléctrica es única en varios aspectos:

• Es la única interacción que puede cambiar el sabor de los quarks y leptones (es decir, cambiar un tipo de quark en otro). ^{[ a ]}
• Es la única interacción que viola la simetría P , o de paridad . También es la única que viola la simetría de carga-paridad ( CP ) .
• Tanto las interacciones cargadas eléctricamente como las interacciones neutras eléctricamente están mediadas (propagadas) por partículas portadoras de fuerza que tienen masas significativas, una característica inusual que se explica en el Modelo Estándar mediante el mecanismo de Higgs .
• Los procesos de desintegración como la desintegración beta regidos por la interacción débil solo pueden observarse cuando no compiten procesos que impliquen desintegraciones más rápidas a través de la interacción electromagnética o fuerte. ^{[ 11 ] : 181}

Debido a su gran masa (aproximadamente 90  GeV/ c² ^{[ 12 ] ) ,} estas partículas portadoras, llamadas bosones W y Z , tienen una vida corta con una vida útil inferior a ^10⁻²⁴ segundos . ^{[ 13 ]} 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 la} interacción fuerte de aproximadamente 1; ^{[ 14 ] en consecuencia ,} la interacción débil es "débil" en términos de intensidad. ^{[ 15 ]} La interacción débil tiene un alcance efectivo muy corto (alrededor de ^10⁻¹⁷ a 10⁻¹⁶ m (0,01 a 0,1 ^fm )). ^{[ b ] [ 15 ] [ 14 ]} A distancias de alrededor de 10 ⁻¹⁸ metros (0,001 fm), la interacción débil tiene una intensidad de magnitud similar a la fuerza electromagnética, pero esta comienza a disminuir exponencialmente con el aumento de la distancia. Ampliada en tan 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. ^{[ 16 ]}         

La interacción débil afecta a todos los fermiones del Modelo Estándar , así como al bosón de Higgs ; los neutrinos interactúan únicamente 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 sí hace a escala astronómica , la fuerza electromagnética a nivel molecular y atómico, y la fuerza nuclear fuerte solo a nivel subatómico, dentro de los núcleos . ^{[ 17 ]} 

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 compañero ) y puede desintegrarse 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 desintegración débil ; sin la desintegración débil, las propiedades de los quarks, como la extrañeza y el encanto (asociados al quark extraño y al quark encanto, respectivamente), también se conservarían en todas las interacciones.

Todos los mesones son inestables debido a la desintegración débil. ^{[ 10 ] (p29) [ c ]} En el proceso conocido como desintegración beta , un quark down en el neutrón puede cambiar en un quark up emitiendo un W ⁻ virtual . bosón, que luego se desintegra en un electrón y un antineutrino electrónico . ^{[ 10 ] (p28)} Otro ejemplo es la captura electrónica , 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 arriba se transforma en un quark abajo), y se emite un neutrino electrónico.  

Debido a las grandes masas de los  bosones W, las transformaciones o desintegraciones de partículas (por ejemplo, el 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 fuerte o electromagnética. ^{[ d ]} Por ejemplo, un pión neutro se desintegra electromagnéticamente, por lo que tiene una vida de tan solo unos 10 ⁻¹⁶  segundos. En cambio, un pión cargado solo puede desintegrarse a través de la interacción débil, por lo que vive unos 10 ⁻⁸  segundos, o cien millones de veces más que un pión neutro. ^{[ 10 ] (p30)} Un ejemplo particularmente extremo es la desintegración por la fuerza débil de un neutrón libre, que tarda unos 15  minutos. ^{[ 10 ] (p28)}

Isospín 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 la partícula puede interactuar con el W ^±de la fuerza débil. El isospín débil desempeña el mismo papel en la interacción débil con W ^±como la carga eléctrica en el electromagnetismo y la carga de color en la interacción fuerte ; se utiliza un número diferente con un nombre similar, carga débil , que se analiza más adelante , para las interacciones con el Z ⁰Todos los fermiones zurdos tienen un valor de isospín débil de + + 1 / 2 o − + 1 / 2 ; todos los fermiones diestros tienen isospín 0. 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 del mismo T 3 : los quarks con un T ₃ de + + 1 / 2 solo se desintegran en quarks con un T _{3 de} − + 1 / 2 y viceversa .

En cualquier interacción fuerte, electromagnética o débil, el isospín débil se conserva : ^{[ e ]} 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 π (levógiro) ⁺, con un isospín débil de +1 normalmente decae en un ν_μ (conT₃=⁠++1/2⁠) y unμ ⁺(como una antipartícula dextrógira, ⁠ + + 1 / 2 ⁠ ). ^{[ 10 ] (p30)}

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

${\displaystyle Y_{\text{W}}=2\,(Q-T_{3}),}$

donde Y _W es la hipercarga débil de una partícula con carga eléctrica Q (en unidades de carga elemental ) 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, todas las partículas de espín ⁠ 1 / 2 ⁠ conocidas tienen una hipercarga débil distinta de cero. ^{[ f ]}

Existen 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 una 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 como una denominación de 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 nombre) denomina la carga de la corriente (formada a partir de los fermiones), no necesariamente la de los bosones. ^{[ g ]}

Interacción de corriente cargada

En un tipo de interacción de corriente cargada, un leptón cargado (como un electrón o un muón , con una carga de −1) puede absorber un W ⁺ bosón (una partícula con una carga de +1) y convertirse así en un neutrino correspondiente (con una carga de 0), donde el tipo ("sabor") del neutrino (electrón ν _e , muón ν _μ o tau ν _τ ) es el mismo que el tipo de leptón en la interacción, por ejemplo:

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

De manera similar, un quark de tipo down ( d , s o b , con una carga de ⁠ − + 1 / 3 ⁠ ) puede convertirse en un quark de tipo up ( u , c o t , con una carga de ⁠ + + 2 / 3 ⁠ ), mediante la emisión de 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 de tipo up puede emitir un W ⁺ bosón, o absorber un W ⁻ bosón, y por lo tanto convertirse en un quark de tipo down, por ejemplo:

${\displaystyle {\begin{aligned}\mathrm {d} &\to \mathrm {u} +\mathrm {W} ^{-}\\\mathrm {d} +\mathrm {W} ^{+}&\to \mathrm {u} \\\mathrm {c} &\to \mathrm {s} +\mathrm {W} ^{+}\\\mathrm {c} +\mathrm {W} ^{-}&\to \mathrm {s} \end{aligned}}}$

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

${\displaystyle {\begin{aligned}\mathrm {W} ^{-}&\to \mathrm {e} ^{-}+{\bar {\nu }}_{\mathrm {e} }~\\\mathrm {W} ^{+}&\to \mathrm {e} ^{+}+\nu _{\mathrm {e} }~\end{aligned}}}$

La desintegración de un  bosón W en otros productos puede ocurrir con probabilidades variables. ^{[ 19 ]}

En la denominada desintegración beta de un neutrón (véase la imagen superior), un quark down dentro del neutrón emite un W ⁻ virtual .bosón y se convierte así en un quark arriba, convirtiendo el neutrón en un protón. Debido a la energía limitada involucrada en el proceso (es decir, la diferencia de masa entre el quark abajo y el quark arriba), el W virtual ⁻El bosón solo puede transportar energía suficiente para producir un electrón y un antineutrino electrónico, las dos masas más bajas posibles entre sus productos de desintegración potenciales. ^{[ 20 ]} A nivel de quarks, el proceso se puede representar como:

${\displaystyle \mathrm {d} \to \mathrm {u} +\mathrm {e} ^{-}+{\bar {\nu }}_{\mathrm {e} }~}$

El Modelo Estándar de la 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 , quienes recibieron el Premio Nobel de Física de 1979 por su trabajo. ^{[ 23 ]} El mecanismo de Higgs proporciona una explicación para la presencia de tres bosones de gauge masivos ( W ⁺, W ⁻, Z ⁰, los tres portadores de la interacción débil), y el fotón ( γ , el bosón de gauge sin masa que transporta la interacción electromagnética). ^{[ 24 ]}

Según la teoría electrodébil, a energías muy altas, el universo tiene cuatro componentes del campo de Higgs cuyas interacciones son transportadas por cuatro bosones escalares sin masa que forman un doblete complejo del campo de Higgs escalar. De igual manera, hay cuatro bosones vectoriales electrodébiles sin masa, cada uno similar al fotón . Sin embargo, a bajas energías, esta simetría de gauge se rompe espontáneamente a la simetría U(1) del electromagnetismo, ya que uno de los campos de Higgs adquiere un valor esperado en el vacío . Ingenuamente, se esperaría que la ruptura de 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 el W ⁺, W ⁻y Z ⁰ bosones observados en la interacción débil. El cuarto bosón de gauge 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. ^{[ 24 ]}

Esta teoría ha realizado varias predicciones, incluyendo la de las masas de los bosones Z y W  antes de su descubrimiento y detección en 1983.

El 4  de julio de 2012, los equipos experimentales CMS y ATLAS del Gran Colisionador de Hadrones anunciaron de forma independiente que habían confirmado el descubrimiento formal de un bosón previamente desconocido con una masa entre 125 y127  GeV/ c² , cuyo comportamiento hasta el momento era "consistente con" un bosón de Higgs, añadiendo una nota cautelosa de que se necesitaban más datos y análisis antes de identificar positivamente el nuevo bosón como un bosón de Higgs de algún tipo. Para el 14 ^de  marzo de 2013, se confirmó tentativamente la existencia de un bosón de Higgs. ^{[ 25 ]}

En un caso hipotético donde la escala de ruptura de simetría electrodébil se redujera, la interacción SU(2) no rota eventualmente se volvería confinante . Los modelos alternativos donde SU(2) se vuelve confinante por encima de esa escala parecen cuantitativamente similares al Modelo Estándar a energías más bajas, pero drásticamente diferentes por encima de la ruptura de simetría. ^{[ 26 ]}

Durante mucho tiempo se creyó que las leyes de la naturaleza permanecían invariables bajo la reflexión en un espejo . Se esperaba que los resultados de un experimento observado a través de un espejo fueran idénticos a los resultados de una copia del aparato experimental, construida por separado y reflejada en el 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 asumía que era una ley universal. ^{[ 27 ]} 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 les valió a Yang y Lee el Premio Nobel de Física de 1957. ^{[ 28 ]}

Aunque la interacción débil fue descrita en su momento por la teoría de Fermi , el descubrimiento de la violación de la paridad y la teoría de la renormalización sugirieron la necesidad de 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 levógiro) para las interacciones débiles. En esta teoría, la interacción débil actúa solo sobre partículas levógiras (y antipartículas dextrógiras). Dado que la reflexión especular de una partícula levógira es dextrógira, esto explica la violación máxima 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 corriente neutra.   

Sin embargo, esta teoría permitió la conservación de una simetría compuesta CP . CP combina la paridad P (intercambio de izquierda a derecha) con la conjugación de carga C (intercambio de partículas con antipartículas). Los físicos se sorprendieron nuevamente cuando, en 1964, James Cronin y Val Fitch proporcionaron evidencia clara en las desintegraciones de kaones de que la simetría CP también podía romperse, lo que les valió el Premio Nobel de Física de 1980. ^{[ 29 ]} En 1973, Makoto Kobayashi y Toshihide Maskawa demostraron que la violación de CP en la interacción débil requería más de dos generaciones de partículas, ^{[ 30 ]} prediciendo efectivamente la existencia de una tercera generación entonces desconocida. Este descubrimiento les valió la mitad del Premio Nobel de Física de 2008. ^{[ 31 ]}

A diferencia de la violación de paridad, la violación de CP  ocurre solo en raras ocasiones. A pesar de su escasa frecuencia 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 constituye una de las tres condiciones de Andrei Sakharov para la bariogénesis . ^{[ 32 ]}

• Universo sin debilidad : el postulado de que las interacciones débiles no son antrópicamente necesarias.
• Gravedad
• Interacción fuerte
• Electromagnetismo

• Harry Cheung, La fuerza débil @ Fermilab
• Fuerzas Fundamentales @ Hiperfísica , Universidad Estatal de Georgia.
• Brian Koberlein , ¿Qué es la fuerza débil? Archivado el 2 de diciembre de 2016 en Wayback Machine.