Interacción débil

Modelo estándar de física de partículas
Partículas elementales del Modelo Estándar
Fondo Física de partículas Modelo estándar Teoría cuántica de campos Teoría de gauge Ruptura espontánea de simetría Mecanismo de Higgs
Constituyentes Interacción electrodébil Cromodinámica cuántica Matriz CKM Matemáticas del Modelo Estándar
Limitaciones Problema CP fuerte Problema de jerarquía Oscilaciones de neutrinos Física más allá del Modelo Estándar
Científicos Rutherford Thomson Chadwick Bosé Sudarshan Davis Jr Anderson Fermi Dirac Feynman rubí Gell-Mann Kendall Taylor Friedman Powell Anderson espectáculo de vidrio Iliopoulos Hombre de cuero Maiani Más Cowan Nambu Chambelán Cabibbo Schwartz Perl Mayorana Weinberg Sotavento Pabellón Saludos Kobayashi Máscara Molinos Yang Yukawa No casco Veltman Bruto País Pablo Politzer Reinas Schwinger Wilczek Cronin Ajuste Vleck bosón de higgs Englert Brote Hagen Guralnik Croquetas de Mayolo Café con leche Dos
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En física nuclear y física de partículas , la interacción débil , también llamada fuerza 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 utiliza, porque la fuerza débil se entiende mejor mediante la teoría electrodébil (EWT). ^[1]

El alcance efectivo de la fuerza débil está limitado a distancias subatómicas y es menor que el diámetro de un protón. ^[2]

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 (normalmente, pero no necesariamente, fermiones de espín semientero ) intercambian bosones portadores de fuerza de 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 son 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 consistente con el corto alcance de la fuerza débil. ^[3] De hecho, la fuerza se denomina débil porque su intensidad de campo en cualquier distancia establecida es típicamente varios órdenes de magnitud menor que la de la fuerza electromagnética, que a su vez es otros 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 raramente, la única interacción que rompe la simetría de carga-paridad .

Los quarks , que forman partículas compuestas como los neutrones y los protones, se presentan en seis "sabores" (arriba, abajo, encanto, extraño, superior y fondo), que otorgan 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 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 para formar deuterio, que es importante para la continuación de la fusión nuclear para formar helio. La acumulación de neutrones facilita la formación de núcleos pesados ​​en una estrella. ^[3]

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

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

A mediados de la década de 1950, Chen-Ning Yang y Tsung-Dao Lee sugirieron por primera vez que la lateralidad de los espines de las partículas en interacción débil podría violar la ley de conservación o simetría. En 1957, Chien Shiung Wu y colaboradores confirmaron 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 cargada eléctricamente es única en varios aspectos:

• Es la única interacción que puede cambiar el sabor de los quarks y los leptones (es decir, transformar un tipo de quark en otro). ^[a]
• Es la única interacción que viola la simetría de paridad ( P ) . También es la única que viola la simetría de carga-paridad ( CP ) .
• Tanto las interacciones eléctricamente cargadas como las eléctricamente neutras 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 [11]} ), estas partículas portadoras, llamadas bosones W y Z  , tienen una vida corta con una vida útil de menos de 10 ⁻²⁴  segundos. ^[12] 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 aproximadamente 1; ^[13] en consecuencia, la interacción débil es "débil" en términos de intensidad. ^[14] La interacción débil tiene un rango efectivo muy corto (alrededor de 10 ⁻¹⁷ a 10 ⁻¹⁶  m (0,01 a 0,1 fm)). ^{[b] [14] [13]} 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. Si se aumenta la escala 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. ^[15]

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 involucra energía de enlace  , algo que la gravedad hace a escala astronómica , la fuerza electromagnética lo hace a nivel molecular y atómico, y la fuerza nuclear fuerte lo hace solo a nivel subatómico, dentro de los núcleos . ^[16]

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 compañero nucleón ) y puede decaer 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 por desintegración débil ; sin desintegración débil, las propiedades de los quarks como la extrañeza y el encanto (asociadas con el quark strange y el quark charm, 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 transformarse en un quark up emitiendo un
Yo⁻
 bosón, que luego se desintegra en un electrón y un antineutrino electrónico . ^{[10] (p28)} Otro ejemplo es la captura de electrones  , una variante común de 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, el cambio de sabor) que dependen de la interacción débil ocurren típicamente mucho más lentamente que las transformaciones o desintegraciones que dependen solo de las fuerzas fuerte o electromagnética. ^{[d] Por ejemplo, un} pión neutro se desintegra electromagnéticamente, y por lo tanto tiene una vida de solo unos 10 ⁻¹⁶  segundos. En contraste, un pión cargado solo puede desintegrarse a través de la interacción débil, y por lo tanto 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 fuerza débil de un neutrón libre, que demora unos 15 minutos. ^{[10] (p28)}

Todas las partículas tienen una propiedad llamada isospín débil (símbolo T ₃ ), que sirve como un número cuántico aditivo que restringe la forma en que la partícula puede interactuar con la
Yo^±
de la fuerza débil. El isospín débil juega el mismo papel en la interacción débil con
Yo^±
como 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 el
O⁰
Todos 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 up 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 : Quarks con un T ₃ de ⁠++1/2⁠ sólo 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 (para zurdos)
π⁺
, con un isospín débil de +1 normalmente se desintegra en un
no
_micras(con T ₃ = ⁠++1/2⁠ ) ​​y un
micras⁺
(como una antipartícula diestra, ⁠++1/2⁠ ). ^{[10] (pág. 30)}

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 elementales ) e isospín débil T ₃ . La hipercarga débil es el generador del componente U(1) del grupo de calibración electrodébil ; mientras que algunas partículas tienen un isospín débil de cero, todos los espín-1/2⁠ Las partículas 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 diferentes reglas de selección . Esta convención de nomenclatura a menudo se malinterpreta como que etiqueta 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. ^[g]

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 una
Yo⁺
 bosón (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") 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) se puede convertir en un quark de tipo up ( u , c o t , con una carga de ⁠++ 2 /3) , emitiendo una
Yo⁻
 bosón o absorbiendo un
Yo⁺
 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 matrices CKM . Por el contrario, un quark de tipo up puede emitir un
Yo⁺
 bosón, o absorber un
Yo⁻
 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 y su vida útil será 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 distintas probabilidades. ^[18]

En la llamada desintegración beta de un neutrón (ver imagen arriba), un quark down dentro del neutrón emite un
Yo⁻
bosón y, por lo tanto, se convierte en un quark up, convirtiendo al 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
Yo⁻
Un bosón sólo puede transportar suficiente energía para producir un electrón y un electrón-antineutrino, las dos masas más bajas posibles entre sus posibles productos de desintegración. ^[19] A nivel de quarks, el proceso puede representarse como:

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

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:

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

Me gusta el
Yo^±
 bosones, los
O⁰
 El bosón también se desintegra rápidamente, ^[18] por ejemplo:

${\displaystyle \mathrm {Z} ^{0}\to \mathrm {b} +{\bar {\mathrm {b} }}}$

A diferencia de la interacción de corriente cargada, cuyas reglas de selección están estrictamente limitadas por la quiralidad, la carga eléctrica y/o el isospín débil, la interacción de corriente neutra
O⁰
La interacción puede causar que dos fermiones cualesquiera en el modelo estándar se desvíen: partículas o antipartículas, con cualquier carga eléctrica y quiralidad izquierda o derecha, aunque la fuerza de la interacción difiere. ^[h]

El número cuántico de carga débil ( QW ) cumple la misma función en la interacción de la corriente neutra con _el
O⁰
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]

${\displaystyle Q_{\mathsf {w}}=2\,T_{3}-4\,Q\,\sin ^{2}\theta _{\mathsf {w}}=2\,T_{3}-Q+(1-4\,\sin ^{2}\theta _{\mathsf {w}})\,Q~.}$

Dado que el ángulo de mezcla débil ⁠ ⁠${\displaystyle \theta _{\mathsf {w}}\approx 29^{\circ }}$ , la expresión entre paréntesis ⁠ ⁠${\displaystyle (1-4\,\sin ^{2}\theta _{\mathsf {w}})\approx 0.060}$ , con su valor que varía ligeramente con la diferencia de momento (llamada " marcha ") entre las partículas involucradas. Por lo tanto

${\displaystyle \ Q_{\mathsf {w}}\approx 2\ T_{3}-Q=\operatorname {sgn}(Q)\ {\big (}1-|Q|{\big )}\ ,}$

ya que por convención ⁠ ⁠${\displaystyle \operatorname {sgn} T_{3}\equiv \operatorname {sgn} Q}$ , y para todos los fermiones involucrados en la interacción débil ⁠ ⁠${\displaystyle T_{3}=\pm {\tfrac {1}{2}}}$ . La carga débil de los leptones cargados es entonces cercana a cero, por lo que estos interactúan principalmente con el bosón Z  a través del acoplamiento axial.

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 recibieron el Premio Nobel de Física en 1979 por su trabajo. ^[22] El mecanismo de Higgs proporciona una explicación de la presencia de tres bosones de calibre masivos (
Yo⁺
,
Yo⁻
,
O⁰
, los tres portadores de la interacción débil) y el fotón ( γ , el bosón de calibre sin masa que transporta la interacción electromagnética). ^[23]

Según la teoría electrodébil, a energías muy altas, el universo tiene cuatro componentes del campo de Higgs cuyas interacciones son llevadas a cabo por cuatro bosones escalares sin masa que forman un doblete complejo del campo de Higgs escalar. Asimismo, hay cuatro bosones vectoriales electrodébiles sin masa, cada uno similar al fotón . Sin embargo, a bajas energías, esta simetría de calibración se rompe espontáneamente a 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 "adicionales" se incorporan a los tres bosones débiles, que luego adquieren masa a través del mecanismo de Higgs . Estos tres bosones compuestos son los
Yo⁺
,
Yo⁻
, y
O⁰
 bosones realmente observados en la interacción débil. El cuarto bosón de calibración 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. ^[23]

Esta teoría ha hecho una serie de predicciones, incluida una predicción de las masas de los
O
y
Yo
 bosones 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 de masa entre 125 y127 GeV/ c ² , cuyo comportamiento hasta ahora era "coherente" con un bosón de Higgs, aunque añadió una nota cautelosa de que se necesitaban más datos y análisis antes de identificar positivamente al 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 simetría electrodébil , la interacción SU(2) ininterrumpida acabaría convirtiéndose en confinante . Los modelos alternativos en los que SU(2) se convierte en confinante por encima de esa escala parecen cuantitativamente similares al Modelo Estándar a energías más bajas, pero radicalmente diferentes por encima de la ruptura de simetría. ^[25]

Durante mucho tiempo se creyó que las leyes de la naturaleza permanecían inalteradas 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 reflejada en el 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 suponía 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 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. [ ^27]

Aunque la interacción débil fue descrita en su día por la teoría de Fermi , 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 levógiro) para interacciones débiles. En esta teoría, la interacción débil actúa solo sobre partículas levógiras (y antipartículas diestras). Dado que el reflejo especular de una partícula levógira es diestra, 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 diestras que entran en la interacción de corriente neutra.

Sin embargo, esta teoría permitió que se conservara 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 desintegraciones de kaones de que la simetría CP también podía romperse, lo que les valió el Premio Nobel de Física de 1980. ^[28] En 1973, Makoto Kobayashi y Toshihide Maskawa demostraron que la violación de CP en la interacción débil requería 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 sólo en circunstancias excepcionales. A pesar de su limitada ocurrencia 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 . ^[31]

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

• Greiner, W. ; Müller, B. (2000). Teoría de calibre de interacciones débiles . Springer. ISBN 3-540-67672-4.
• Coughlan, GD; Dodd, JE; Gripaios, BM (2006). Las ideas de la física de partículas: una introducción para científicos (3.ª ed.). Cambridge University Press. ISBN 978-0-521-67775-2.
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• Oerter, R. (2006). La teoría de casi todo: el modelo estándar, el triunfo anónimo de la física moderna . Plume . ISBN. 978-0-13-236678-6.
• Schumm, BA (2004). Cosas profundas: La impresionante belleza de la física de partículas . Johns Hopkins University Press . ISBN 0-8018-7971-X.

Wikiquote tiene citas relacionadas con Interacción débil .

• Harry Cheung, La fuerza débil @Fermilab
• Fuerzas fundamentales @Hiperfísica, Universidad Estatal de Georgia.
• Brian Koberlein, ¿Qué es la fuerza débil?