La fuerza débil

Una de las 4 fuerzas fundamentales es la fuerza débil

La fuerza débil o fuerza nuclear débil actúa entre partículas elementales.

La fuerza nuclear débil es importante en la velocidad de reacción de algunas reacciones nucleares que ocurren en estrellas. También está presente en el origen de las explosiones volcánicas.

La transformación de hidrógeno en helio produciendo deuterio, está causada por la fuerza débil. Sin esta fuerza nuestro universo sería muy diferente, un universo en tinieblas, sin estrellas ni galaxias que dieran luz.

La vida media del Sol está determinada por las características de esta fuerza.

Fuerza débil

La fuerza débil es una fuerza de corto alcance, menos de una billonésima de milímetro: 10-13mm. A una distancia mayor, la intensidad de esta fuerza ya es despreciable.

Fuerza débil

Si la fuerza débil tuviera un valor de 1,

la fuerza electromagnética tendría un valor de 1.000 

y la fuerza fuerte tendría un valor de 100.000.000.000

Aunque es muchísimo más débil que las otras dos fuerzas nucleares, la fuerza débil es importante ya que hace posible que el Sol y las estrellas produzcan luz y energía.

La fuerza débil causa un tipo de desintegración radiactiva llamada "desintegración beta". Un ejemplo de desintegración beta es la desintegración del neutrón cuando se convierte en 1 protón + 1 electrón + 1 neutrino

La interacción débil afecta a todo leptón con quiralidad zurda y a los quarks. Es la única fuerza que afecta a los neutrinos (excepto por la gravitación, que no se la puede evitar a escalas del laboratorio). La interacción débil es la única en varios aspectos:

Es la única interacción capaz de cambiar su sabor
Es la única interacción que viola la paridad de la simetría P (ya que sólo actúa sobre electrones, muones y tauones de izquierdas). Esta es también la única que viola la simetría CP.
Es la que media entre los bosones de gauge pesados. Esta característica inusual es explicada en el modelo estándar por el mecanismo de Higgs.

Debido a la gran masa de las partículas que transportan la interacción débil (cerca de los 90 GeV/c2), su vida media está limitada a cerca de 3×10-27 segundos, por el principio de incertidumbre. Incluso a la velocidad de la luz este límite efectivo del rango de la interacción débil de 10-18 metros, cerca de mil veces más pequeña que el diámetro del núcleo atómico.

Ya que la interacción débil es a muy cortas distancias y muy débil, sus efectos más considerables son debido a otra condición única: su cambio de sabor.

Considere un neutrón (contiene un quark up y dos quark down), aunque el neutrón es más masivo que su "hermano" nucleón (m(neutrón)= 939.5653 MeV, m(protón)=938.27203 MeV), no puede decaer en un protón (contiene dos quark up y un quark down) sin cambiar el sabor de uno de los quarks down.

La interacción fuerte o el electromagnetismo no pueden cambiar su sabor, por lo que ésto sólo puede ocurrir a través de un decaimiento débil. En este proceso, un quark down de un neutrón se transforma en un quark up emitiendo un bosón W, que luego se rompe en electrones de alta energía y un antineutrino electrónico. Los electrones altamente energéticos son radiación beta, esto es llamado desintegración beta.

Debido a la debilidad de la interacción débil, los decaimientos débiles son muy lentos comparados con los decaimientos fuertes o con los electromagnéticos. Por ejemplo, un decaimiento electromagnético de un pión neutro tiene una vida de unos 10-16 segundos; un decaimiento débil cargado con un pión vive cerca de 10-8 segundos, cien millones de veces más largo. Un neutrón libre vive cerca de 15 minutos, por lo que es la partícula subatómica inestable con la vida media más larga que se conoce hasta ahora.

Hay tres tipos básicos de vértices de la interacción débil (hasta la conjugación de la carga y el cruce simétrico). Dos de ellos consisten en bosones cargados, que son llamados "interacciones de corriente cargada". El tercer tipo es llamado "interacción de corriente neutral".

Un leptón cargado (un electrón o un muón) puede emitir o absorber un bosón W y convertirlo en su correspondiente neutrino.

Un quark down (con carga -1/3) puede emitir o absorber a un bosón W y convertirlo en una superposición de quark up. Al contrario, un quark up puede convertir en una superposición de quarks down. El contenido exacto de la superposición es dado por la matriz CKM.
O bien un leptón o un quark puede emitir o absorber un bosón Z.
Dos interacciones de corrientes cargadas juntas son responsables del fenómeno de la desintegración beta. La interacción de corriente neutra fue la primera que se pudo observar en un experimento de dispersión de neutrinos en 1974 y en un experimento de colisiones en 1983.

Las leyes de la naturaleza siguen siendo las mismas si se las mira con un espejo de reflexión: la inversión de todos los espacios euclidianos. Es de esperar que los resultados de un experimento observado a través de un espejo sean idénticos a los resultados en una copia de otro espejo reflejado de un aparato experimental. Esto se denomina ley de conservación de la paridad y se postula que respeta la gravitación clásica y el electromagnetismo; se asume que la ley de conservación de la paridad es una ley universal. Sin embargo, a mediados de los años 1950, Chen Ning Yang y Tsung-Dao Lee sugirieron que la interacción débil podría violar esta ley. Chien Shiung Wu y otros colaboradores descubrieron en 1957 que la interacción débil violaba la paridad. Yang y Lee obtuvieron el Nobel de Física de 1957 por su trabajo.

Aunque la interacción débil suele ser descrita mediante la teoría de Fermi, de una interacción de contacto de cuatro fermiones, el descubrimiento de la violación de la paridad y la teoría de renormalización sugiere que es necesario utilizar un nuevo enfoque. En 1957, Robert Marshak, George Sudarshan y posteriormente Richard Feynman y Murray Gell-Mann propusieron un V-A (vector menos un vector axial o un quiral derecho) lagrangiano para interacciones débiles. En esta teoría, la interacción débil actúa solo en las partículas derechas (y las antipartículas también). Si la reflexión del espejo de una partícula izquierda es una partícula derecha, esto explica la máxima violación de la paridad.

Los físicos tuvieron una nueva sorpresa cuando en 1964, James Cronin y Val Fitch encontraron una evidencia clara en una desintegración de un kaón, de que la simetría CP también podía ser rota. Gracias a este descubrimiento ganaron el premio Nobel de Física de 1980. A diferencia de la violación de la paridad, la violación CP tiene efectos muy pequeños.

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 en 1968 por Sheldon Lee Glashow, Abdus Salam y Steven Weinberg (los bosones W y Z). Todos ellos ganaron el Nobel de Física de 1979 por este trabajo.

Acorde a la teoría electrodébil, a muy altas energías, el universo tiene cuatro bosones de gauge idénticos, sin masa, similares al fotón y a un campo de Higgs escalar. Sin embargo, a bajas energías, la simetría de un campo de Higgs tiene una ruptura espontánea de simetría electrodébil por el mecanismo de Higgs. El rompimiento de la simetría produce tres bosones de Goldstone sin masa que son "comidos" por tres de los fotones, como campos, dándoles su masa. Estos tres campos se convierten en bosones W y Z de la interacción débil, mientras que la cuarta permanece sin masa y es un fotón del electromagnetismo.

Aunque esta teoría tiene un numero de predicciones impresionantes, incluyendo una predicción de la masa de un bosón Z antes de su descubrimiento, el bosón de Higgs por sí mismo nunca ha sido observado. Producir un bosón de Higgs será el mayor logro del LHC que se ha construido en el CERN, en Ginebra.

ENLACES INTERESANTES

En esta misma web, una reseña acerca del CERN

En esta misma web, una reseña acerca del Acelerador Lineal de Hadrones (LHC)

El portal de la Junta de Andalucía

Lo que dice Wikipedia acerca de la interacciones fundamentales

Ir a la página inicial