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 i és la iniciadora del procés conegut com fusió nuclear a les estrelles. La interacció feble afecta a tots els fermions coneguts, és a dir, a les partícules que tenen un espín (una propietat de totes les partícules) semienter (és a dir, de valor ½).

Segons el model estàndard de física de partícules, la interacció feble és causada teòricament per l'intercanvi (és a dir, emissió o absorció) de bosons W i Z; per tant, es considera una força sense contacte, igual que les altres tres forces fonamentals. L'efecte més conegut d'aquesta emissió és la desintegració beta, que és una forma de radioactivitat. Els bosons W i Z són molt més pesats que els protons o neutrons; justament això explica el curt abast de la interacció feble. De fet, s'anomena «feble» perquè la seva intensitat de camp és diversos ordres de magnitud menor que la de l'electromagnetisme i la de la força nuclear forta. Té una propietat única –anomenada canvi de sabor del quark– que no ocorre en cap altra interacció. A més a més, trenca la simetria de paritat i la simetria CP. El canvi de sabor permet que els quarks canviïn el seu per un dels altres cinc.

La força feble fou originalment descrita a la dècada de 1930 per la teoria de Fermi de la interacció de quatre fermions de contacte: això equival a dir una força sense abast (és a dir, completament dependent del contacte físic). Tanmateix, en l'actualitat es descriu com un camp que té un abast (tot i que molt petit). El 1968, la força electromagnètica i la interacció feble foren unificades quan es descobrí que eren dos aspectes d'una sola força, que ara s'anomena força electrofeble. La teoria de la interacció feble es pot anomenar «sabordinàmica quàntica» (QFD, de l'anglès quantum flavordynamics), en analogia amb la cromodinàmica quàntica (QCD) i l'electrodinàmica quàntica (EWT).

Les interaccions febles són més apreciables quan les partícules experimenten una desintegració beta, i en la producció de deuteri i llavors heli a partir de l'hidrogen que sosté el procés termonuclear del Sol. Aquesta desintegració també fa possible la datació basada en el carboni-14, ja que el carboni-14 es desintegra mitjançant la interacció feble en nitrogen-14. També pot crear radioluminescència, la qual s'usa en il·luminació de triti i en el camp relacionat dels betavoltaics.

Tipus d'interacció

Hi ha dos tipus d'interacció feble (anomenats «vèrtexs»). El primer tipus s'anomena «interacció de corrent carregat» perquè és mediat per partícules que tenen una càrrega elèctrica (el bosó W⁺ o el bosó W^-), i és el responsable del fenomen de la desintegració beta. El segon tipus s'anomena «interacció de corrent neutral» perquè és mediat per una partícula neutral, el bosó Z.

Interacció de corrent carregat

El diagrama de Feynman de la desintegració beta negativa d'un neutró en un protó, electró i antineutrí electrònic, mitjançant un bosó W^- intermedi pesat

En un tipus d'interacció de corrent carregat, un leptó carregat (tal com un electró o un muó, que tenen una càrrega -1) pot absorbir un bosó W⁺ (una partícula amb càrrega +1) i, per tant, ser convertits en el corresponent neutrí (amb càrrega 0) el tipus («família») del qual (electró, muó o tau) és el mateix que el tipus del leptó de la interacció. Per exemple:

$\mu^-+ W^+\to \nu_\mu$

D'una manera similar, un quark baix (d amb una càrrega de -1/3) es pot convertir en un quark dalt (u, amb una càrrega de +2/3) quan emet un bosó W^- o quan absorbeix un bosó W⁺. D'una manera més precisa, el quark baix esdevé una superposició quàntica del quark dalt: això equival a dir que té una possibilitat d'esdveneir qualsevol dels tres tipus de quark dalt segons les probabilitats que vénen donades per les taules de la matriu CKM. En canvi, un quark dalt pot emetre un bosó W⁺ o absorbir un bosó W^- per convertir-se en un quark baix. Per exemple:

$d \to u+ W^-$

$d+ W^+\to u$

$c\to s + W^+$

$c+ W^-\to s$

El bosó W és inestable, per la qual cosa es desintegra ràpidament amb un temps de vida molt curt. Per exemple:

$W^-\to e^- + \bar\nu_e~$

$W^+\to e^+ + \nu_e~$

La desintegració del bosó W cap a altres productes pot tenir lloc, amb probabilitats diverses.

En la desintegració beta d'un neutró (vegeu la imatge superior), un quark baix dins del neutró emet un bosó W^- virtual i, per tant, es converteix en un quark dalt, mentre que el neutró es converteix en un protó. A causa de l'energia involucrada en el procés (és a dir, la diferència de massa entre el quark baix i el quark dalt), el bosó W^- tan sols es pot convertir en un electró i en un antineutrí electrònic. A nivell de quark, el procés es pot representar de la següent manera:

$d\to u+ e^- + \bar\nu_e~$

Interacció de corrent neutral

En interaccions de corrent neutral, un quark o un leptó (com, per exemple, un electró o un muó) emet o absorbeix un bosó Z neutral. Per exemple:

$e^-\to e^- + Z^0$

Igual que el bosó W, el bosó Z també es desintegra ràpidament. Per exemple:

$Z^0\to b+\bar b$

Propietats

Diagrama que il·lustra diverses vies de la força nuclear feble.

La interacció feble afecta tots els fermions, siguin dretans o esquerrans (quiralitat i helicitat), i, a part de la gravetat, és l'única força que afecta els neutrins. La interacció feble és única en diversos aspectes:

1. És l'únic tipus d'interacció capaç de canviar el sabor de les partícules implicades.
2. 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.

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.

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. 

Vegeu també

• Llista de partícules
• Partícula elemental
• Partícula subatòmica
• Taula de núclids