Força nuclear feble
La força nuclear feble, també anomenada força feble, interacció feble, força nuclear dèbil, força dèbil o interacció dèbil, és una de les quatre forces fonamentals de la natura, juntament amb la força nuclear forta, la gravetat i la força electromagnètica. És la responsable de la desintegració radioactiva de les partícules subatòmiques, la inestabilitat d'alguns nucleids (del nucli atòmic d'alguns elements), especialment la radioactivitat beta; i a les estrelles és la iniciadora del procés conegut com a fusió nuclear. La interacció feble afecta a tots els fermions coneguts, és a dir, a les partícules que tenen un espín amb valor d'½.
Segons el model estàndard de física de partícules, la interacció feble pot tenir lloc entre leptons i quarks (interaccions semi-leptòniques), entre leptons (interaccions leptòniques) o entre quarks (interaccions no-leptòniques) a través de l'intercanvi de partícules agent o missatgeres o bosons intermediaris molt massius anomenats W± i Z0. Atès que tots els leptons estan implicats en els efectes de la interacció feble i que la gravetat és insignificant, sembla que aquesta és l'única força que actuaria sobre els neutrins als experiments de laboratori. La força feble és la responsable de la desintegració beta[1][2] dels nuclis atòmics, i la radioactivitat associada, per a això un neutró es transforma en un protó després de l'emissió d'electrons (radiació beta) i neutrins.
És una força sense contacte, i s'anomena feble perquè només té 10−11 vegades la força de la força electromagnètica i 10−13 vegades la de la força nuclear forta. És de molt curt abast, menys de 10-15 m, i de molt petita intensitat, 1014 vegades inferior a la interacció forta. El seu curt abast s'explica per la gran massa de les partícules de la interacció feble (prop d'uns 90 GeV). La interacció dèbil afecta els neutrins, leptons amb càrrega i quarks. Permet a tots els leptons, quarks, i les seves respectives antipartícules, intercanviar energia, massa, i càrrega.
La interacció electrodèbil és el resultat de la unificació de les interaccions dèbil, i electromagnètica. El model estàndard de la física de partícules unifica parcialment les forces electromagnètica i feble: a altes energies, o, dit de manera equivalent, a distàncies menors que el diàmetre dels protons, totes dues són només aspectes de una única força electrodèbil.
Taula de continguts |
[modifica] Història
La força nuclear feble va ser originàriament descrita en la dècada de 1930 per la Teoria de Fermi d'un contacte en interacció de quatre fermions: el que vol dir que era una força sense rang (és a dir, completament dependent d'un contacte físic[3]). Tanmateix, actualment es descriu millor com un camp, que té un rang encara que un rang molt curt. L'any 1968, es van unificar la força electromagnètica i la interacció feble, quan es va veure que eren dos aspectes d'una única força, actualment anomenada força electrodèbil.
[modifica] Tipus d'interacció nuclear feble
Hi ha tres tipus bàsics d'interacció feble segons el seu diagrama de Feynman. Dos d'ells involucren bosons amb càrrega elèctrica (W- i W+) i reben el nom d'interaccions de corrent feble carregat mentre que el tercer tipus, on intervé la partícula Z0, és anomenat interacció de corrent feble neutre. Aquests són alguns exemples de la dinàmica dels diferents tipus d'interacció:
- Un leptó amb càrrega, com un electró o un muó, pot emetre o absorbir un bosó W, i transformar-se en el neutrí corresponent.
- Un quark down, amb càrrega -1/3, pot emetre o absorbir un bosó W i convertir-se en una superposició d'un quark up. En sentit contrari, però seguin una tendència similar, un quark up pot esdevenir un quark down. El contingut exacte d'aquesta superposició vindrà donat per la matriu CKM.
- Tant un leptó com un quark poden emetre o absorbir un bosó Z.
Els dos tipus d'interacció de corrent feble carregat són els responsables dels fenòmens relacionats amb la desintegració beta. La interacció de corrent feble neutre, que va ser observada per primer cop el 1973 durant uns experiments de dispersió de neutrins amb nuclis realitzats al CERN,[4] el que confirmava les prediccions del model unificat de la interacció electrodèbil.[5]
[modifica] Propietats
La interacció feble afecta tots els fermions, siguin dretans o esquerrans (quiralitat i helicitat), i, apart de la gravetat, és l'única força que afecta els neutrins. La interacció feble és única en diversos aspectes:
- És l'únic tipus d'interacció capaç de canviar el sabor de les partícules implicades.
- És l'únic tipus d'interacció que viola la simetria de paritat (P), ja que només actua sobre les partícules esquerranes. I, com a conseqüència d'això, és també l'única que viola la simetria C (conjugació de càrrega).
La seva partícula mediadora és un bosó molt massiu. Aquesta peculiaritat s'explica en el model estàndard pel mecanisme de Higgs. A causa de la gran massa de les partícules que transporten la interacció feble, al voltant de 90 GeV/c2, la seva vida mitjana és d'uns 3×10−25 segons.
A causa de la gran massa de les partícules que transporten la interacció feble (prop dels 90 GeV/c2), la seva vida mitjana està limitada a uns 3×10−27 segons, pel principi d'incertesa. Fins i tot a la velocitat de la llum aquest límit efectiu del rang de la interacció feble de 10−18 metres, prop de mil vegades més petita que el diàmetre del nucli atòmic.
Ja que la interacció feble és a molt curtes distàncies i molt feble, els seus efectes més considerables són causa d'una altra condició única: el seu canvi de sabor. Consideri un neutró (conté un quark up i dos quark down), encara que el neutró és més massiu que el seu "germà" nucleó (m(neutró)= 939.5653 MeV, m(protó)=938.27203 MeV), no pot decaure en un protó (conté dos quark up i un quark down) sense canviar el sabor d'un dels quarks down. La interacció forta o l'electromagnetisme no poden canviar el seu sabor, per tant tan sols pot passar a través d'un decaïment feble. En aquest procés, un quark down en un neutró canvia en un quark up emetent un bosó W, que després es trenca en electrons d'alta energia i un antineutrí electrònic. Els electrons altament energètics són radiació beta, és a dir anomenat desintegració beta.
A causa de la debilitat de la interacció feble, els decaïments febles són molt lents comparats amb els decaïments forts o els electromagnètics. Per exemple, un decaïment electromagnètic d'un pió neutre té una vida de prop de 10-16 segons, un decaïment feble carregat amb un pió viu a prop de 10-8 segons, cent milions de vegades més llarg. Un neutró lliure viu a prop de 15 minuts, fent-la una partícula subatòmica inestable amb la més llarga vida mitjana coneguda.
[modifica] Teoria o model electrofeble
El model estàndard de la física de partícules descriu la interacció electromagnètica i la interacció feble com dos diferents aspectes d'una única interacció electrofeble, la teoria que va ser desenvolupada el 1968 per Sheldon Lee Glashow, Abdus Salam i Steven Weinberg (els bosons W i Z). Ells van guanyar el Premi Nobel de Física de 1979 per aquest treball.
D'acord amb la teoria electrofeble, a molt altes energies, l'univers té quatre bosons idèntics de gauge sense massa similars al fotó i un camp de Higgs escalar. No obstant això, a baixes energies, la simetria d'un camp de Higgs té una ruptura espontània de simetria electrofeble pel mecanisme de Higgs. El trencament de la simetria produeix tres bosons de Goldstone sense massa que són "menjats" per tres dels fotons, com camps, donant-los la seva massa. Aquests tres camps es converteixen en bosons W i Z de la interacció feble, mentre que la quarta roman sense massa i és un fotó de l'electromagnetisme.
Encara que aquesta teoria té un nombre de prediccions impressionants, incloent una predicció de la massa d'un bosó Z abans del seu descobriment, el bosó de Higgs per si mateix no ha estat observat. Produir un bosó de Higgs és el major èxit del LHC que es construeix al CERN, o bé demostrar la seva inexistència i necessitat de noves lleis físiques.
[modifica] Bibliografia
- R. Oerter. The Theory of Almost Everything: The Standard Model, the Unsung Triumph of Modern Physics. Plume, 2006. ISBN 9780132366786.
- B.A. Schumm. Deep Down Things: The Breathtaking Beauty of Particle Physics. Johns Hopkins University Press, 2004. ISBN 0-8018-7971-X.
- D.A. Bromley. Gauge Theory of Weak Interactions. Springer, 2000. ISBN 3-540-67672-4.
- G.D. Coughlan, J.E. Dodd, B.M. Gripaios. The Ideas of Particle Physics: An Introduction for Scientists. 3rd. Cambridge University Press, 2006. ISBN 978-0521677752.
- D.J. Griffiths. Introduction to Elementary Particles. John Wiley & Sons, 1987. ISBN 0-471-60386-4.
- G.L. Kane. Modern Elementary Particle Physics. Perseus Books, 1987. ISBN 0-201-11749-5.
- D.H. Perkins. Introduction to High Energy Physics. Cambridge University Press, 2000. ISBN 0-521-62196-8.
[modifica] Referències
- ↑ Beta decay, Advanced Laboratory, Physics 407, Universitat de Wisconsin, pàg. 5.
- ↑ Lepton Flavor Changing Charged Current and Interaction, Ong Jian Fuh and Ithnin Abdul Jalil, Department of physics, Faculty of Science, University of Malaya
- ↑ E. Fermi.. «Versuch einer Theorie der β-Strahlen. I». ZEITSCHRIFT FÜR PHYSIK A HADRONS AND NUCLEI, vol. 88, pàg. 161–177. DOI:10.1007/BF01351864.
- ↑ Modern View (Standard Model) timeline: 1964 – present, Particle Physics Timeline
- ↑ Gargamelle: the tale of a giant discovery, Donald Cundy i Christine Sutton, CERN Courier, 25 d'agost del 2009. [Consultat el 17-12-2010]
[modifica] Vegeu també
