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Interacción débil

La fuerza nuclear débil , también llamada fuerza débil o interacción débil ,[1]​ es una de las cuatro fuerzas fundamentales de la naturaleza, junto con la fuerza nuclear fuerte, la gravedad y la fuerza electromagnética. La fuerza nuclear débil es la responsable de la desintegración radiactiva de las partículas subatómicas y es la iniciadora del proceso conocido como fisión nuclear en las estrellas. [2]​ La teoría de la interacción débil se conoce también como flavordinámica cuántica (QFD, de las siglas en inglés), aunque el término casi no se utiliza porque la fuerza nuclear débil se entiende mejor en términos de la teoría electrodébil (EWT).[3]​ Es una fuerza de muy corto alcance, 10–17 m.

Cuadro explicativo de las 4 fuerzas fundamentales.
La desintegración «beta radiactiva» se debe a la interacción débil, que transforma un neutrón en un protón, un electrón y un antineutrino electrónico .

Según el modelo estándar de física de partículas, la interacción débil es causada por la emisión o absorción de bosones W y Z; por tanto, se considera una fuerza sin contacto, al igual que las otras tres fuerzas fundamentales. La interacción débil afecta a todos los fermiones conocidos, es decir, las partículas que tienen un espín (una propiedad de todas las partículas) semientero (es decir, de valor ½). El efecto más conocido de esta emisión es la desintegración beta, que es una forma de radiactividad. Los bosones W y Z son mucho más pesados que los protones o neutrones; justamente eso explica el corto alcance de la interacción débil. De hecho, se denomina «débil» porque su intensidad de campo es varios órdenes de magnitud menor que la del electromagnetismo y la de la fuerza nuclear fuerte. Tiene una propiedad única -llamada cambio de sabor del quark - que no ocurre en ninguna otra interacción. Además, rompe la simetría de paridad y la simetría CP. El cambio de sabor permite que los quarks cambien el suyo en ese instante por uno de los otros cinco sabores.

La fuerza débil fue originalmente descrita en la década de 1930 por la teoría de Fermi de la interacción de cuatro fermiones de contacto: esto equivale a decir una fuerza sin alcance (es decir, completamente dependiente del contacto físico [4]​ ). Sin embargo, en la actualidad se describe como un campo que tiene un alcance (aunque muy pequeño). En 1968, la fuerza electromagnética y la interacción débil fueron unificadas cuando se descubrió que eran dos aspectos de una sola fuerza, que ahora se llama fuerza electrodébil. La teoría de la interacción débil se puede llamar «sabordinámica cuántica» (QFD, del inglés quantum flavordynamics ), en analogía con la cromodinámica cuántica (QCD) y la electrodinámica cuántica (QED).[3]

Las interacciones débiles son más apreciables cuando las partículas experimentan una desintegración beta , y en la producción de deuterio y entonces helio a partir del hidrógeno que sostiene el proceso termonuclear del Sol. Esta desintegración también hace posible la datación basada en el carbono-14 , ya que el carbono-14 se desintegra mediante la interacción débil en nitrógeno-14. También puede crear radioluminiscencia , la cual se usa en iluminación de tritio y en el campo relacionado de los betavoltaics. [5]

En el modelo estándar de la física de partículas, la fuerza débil se considera una consecuencia del intercambio de bosones W y Z que son muy masivos, y de acuerdo con la relación de indeterminación de Heisenberg son de corta vida, lo cual explica el escaso alcance de este tipo de fuerzas.

Antecedentes

El Modelo Estándar de la física de partículas proporciona un marco uniforme para entender las interacciones electromagnética, débil y fuerte. Una interacción se produce cuando dos partículas (típicamente, pero no necesariamente, fermiones de spin semientero) intercambian bosones de espín entero, portadores de fuerza. Los fermiones implicados en estos intercambios pueden ser elementales (por ejemplo, electrón o quark) o compuestos (por ejemplo, protón o neutrón), 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, W+, W- y bosones Z. La masa de estos bosones es mucho mayor que la masa de un protón o de un neutrón, lo que concuerda con el corto alcance de la fuerza débil. De hecho, la fuerza se denomina débil porque su intensidad de campo en una distancia determinada es típicamente varios órdenes de magnitud menor que la de la fuerza nuclear fuerte o la fuerza electromagnética.

Los quarks, que forman las partículas compuestas como los neutrones y los protones, tienen seis "sabores" (up, down, strange, charm, top y bottom) que dan a esas partículas compuestas sus propiedades. La interacción débil es única, ya que permite a los quarks cambiar su sabor por otro. El intercambio de estas propiedades está mediado por los bosones portadores de fuerza. Por ejemplo, durante la desintegración beta, un quark down dentro de un neutrón se cambia por un quark up, convirtiendo así el neutrón en un protón y dando lugar a la emisión de un electrón y un antineutrino de electrón. Otro ejemplo importante de un fenómeno en el que interviene la interacción débil es la fusión de hidrógeno en helio que impulsa el proceso termonuclear del Sol.

La mayoría de los fermiones decaen por una interacción débil con el tiempo. Este decaimiento hace posible la datación por radiocarbono, ya que el carbono-14 decae por la interacción débil a nitrógeno-14. También puede crear radioluminiscencia, comúnmente utilizada en la iluminación con tritio, y en el campo relacionado de la betavoltaica.[5]

La interacción débil es la única interacción fundamental que rompe la simetría de paridad, y del mismo modo, la única que rompe la simetría de paridad de carga.

Durante la época quark del universo temprano, la fuerza electrodébil se separó en las fuerzas electromagnética y débil.

Historia

En 1933, Enrico Fermi propuso la primera teoría de la interacción débil, conocida como la Constante de Fermi. Sugirió que la desintegración beta podía explicarse mediante una interacción de cuatro fermiones, que implicaba una fuerza de contacto sin alcance.[6][7]

Sin embargo, se describe mejor como un campo de fuerza sin contacto que tiene un alcance finito, aunque muy corto.[cita requerida] En la década de 1960, Sheldon Glashow, Abdus Salam y Steven Weinberg unificaron la fuerza electromagnética y la interacción débil demostrando que eran dos aspectos de una única fuerza, ahora denominada fuerza electrodébil.[8][9]

La existencia de los bosones W y Z no se confirmó directamente hasta 1983.[10]

Descripción y propiedades

 
Diagrama que muestra las rutas de desintegración debido a la interacción débil cargada y alguna indicación de su probabilidad. La intensidad de las líneas viene dada por los parámetros CKM .

La interacción débil es un tipo de interacción entre partículas fundamentales, responsable de fenómenos naturales como la desintegración beta. Como interacción débil no solo puede ocasionar efectos puramente atractivos o repulsivos (como sucede por ejemplo con la interacción electromagnética), sino que también puede producir el cambio de identidad de las partículas involucradas, es decir, lo que se conoce como una reacción de partículas subatómicas.

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

La primera teoría para entender la interacción débil se remonta a los años 1914, cuando Fermi propuso su teoría del decaimiento beta en 1933. Sin embargo, a finales de la década de 1960 se propuso una explicación más amplia y completamente satisfactoria, la teoría electrodébil que explicaba la interacción débil como un campo de Yang-Mills asociado a un grupo de gauge o simetría interna SU (2).

Originalmente se la denominó «fuerza nuclear débil», ya que la interacción débil está confinada a muy cortas distancias, de poco más que el núcleo atómico, y porque es muy débil en comparación la fuerza nuclear fuerte que mantiene unidos neutrones y protones. Sin embargo, si se tiene en cuenta que también es la responsable del decaimiento de partículas de la familia del electrón como el muon, fuera del núcleo, se prefiere llamar simplemente «débil». Sus efectos más considerables son debido a otra condición única: su cambio de sabor.

Debido a la debilidad de esta interacción, los decaimientos débiles son muy lentos comparados con los decaimientos fuertes o los electromagnéticos. Por ejemplo, un decaimiento electromagnético de un pion neutro tiene una vida de cerca de 10–16 segundos; mientras que un decaimiento débil cargado con un pion vive cerca de 10–8 segundos, es decir, cien millones de veces más largo. Un neutrón libre «vive» cerca de 15 minutos, haciéndola una partícula subatómica inestable con la vida media más larga conocida.

Propiedades

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 puede evitar a escalas del laboratorio). La interacción débil es única en varios aspectos:

  1. Es la única interacción capaz de cambiar su sabor
  2. Es la única interacción que viola la paridad de la simetría P (ya que solo actúa sobre electrones, muones y tauones levógiros). Esta es también la única que viola la simetría CP.
  3. 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.

Considérese 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 esto solo puede ocurrir a través de un decaimiento débil. En este proceso, un quark down en un neutrón cambia 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.

Tipos de Interacción

 
El diagrama de Feynman para la desintegración beta-menos de un neutrón en un protón, electrón y antineutrino de electrones, a través de un pesado intermedio bosón EN

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

  • Un leptón cargado (como un electrón o un muon) puede emitir o absorber un bosón W y convertirlo en su correspondiente neutrino.
  • Un quark tipo 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 en ser observada en un experimento de dispersión de neutrinos en 1974 y en un experimento de colisiones en 1983.

Interacción de corriente cargada

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

 

Del mismo modo, un quark de tipo down (d con una carga de -13) puede convertirse en un quark de tipo up (u, con una carga de +23), emitiendo un bosón W- o absorbiendo un bosón W+. Más concretamente, 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. A la inversa, un quark de tipo up puede emitir una bosón W +, o absorber un bosón bosón W -, y así convertirse en un quark de tipo down, por ejemplo:

 

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

 

La descomposición de un bosón W en otros productos puede ocurrir, con probabilidades variables.[11]

En la llamada desintegración beta de un neutrón (ver imagen, arriba), un quark down dentro del neutrón emite una partícula virtual bosón W+ y se convierte así en un quark up, convirtiendo el neutrón en un protón. Debido a la energía implicada en el proceso (es decir, la diferencia de masa entre el quark down y el quark up), el bosón W- sólo puede convertirse en un electrón y en un electrón-antineutrino.[12]​ A nivel de quarks, el proceso puede representarse como:

 

Interacción de corriente neutra

En las interacciones de corriente neutra, un quark o un leptón (por ejemplo, un electrón o un muon) emite o absorbe un bosón Z neutro. Por ejemplo:

 

Como el boson W+-, el boson Z0 también decae rápidamente, [11]​ por ejemplo:

 

A diferencia de la interacción carga-corriente, cuyas reglas de selección están estrictamente limitadas por la quiralidad, la carga eléctrica y/o el isospín débil, la interacción corriente neutra Z boson0 puede hacer que dos fermiones cualesquiera del modelo estándar se desvíen: Tanto las partículas como las antipartículas de cualquier carga eléctrica, y tanto la quiralidad izquierda como la derecha, aunque la fuerza de la interacción difiere. Los únicos fermiones con los que el boson Z0 no interactúa son los hipotéticos "estériles": Los antineutrinos quirales izquierdos y los neutrinos quirales derechos. Se denominan "estériles" porque no interactuarían con ninguna partícula del Modelo Estándar, pero hasta ahora siguen siendo totalmente una conjetura; no se sabe que tales neutrinos existan realmente.

La carga débil de número cuántico (QPlantilla:Sub) cumple el mismo papel en la interacción de la corriente neutra con el Plantilla:Subatomic Particle que la carga eléctrica (Q, sin subíndice) hace en la interacción electromagnética: cuantifica la parte vectorial de la interacción. Su valor viene dado por:[13]

 

Dado que el ángulo de mezcla débil   la expresión entre paréntesis   con su valor variando ligeramente con la diferencia de momento (corriendo) entre las partículas involucradas. Por lo cual:

 

ya que por convención   y para todos los fermiones involucrados en la interacción débil  . La carga débil de leptones cargados es entonces cercana a cero, por lo que estos en su mayoría interactúan a través del acoplamiento axial con el Z.

Violación de simetría

Las leyes de la naturaleza tienden a seguir siendo las mismas si se las mira con el mismo espejo de reflexión, la inversión de todos los espacios euclidianos. Se esperaba que los resultados de un experimento vistos vía un espejo fuesen idénticos a los resultados de una copia de todo el experimento reflejada en un espejo. La, así llamada, ley de conservación de la paridad fue conocida por ser respetada por la gravitación clásica y el electromagnetismo, entonces se supuso que era 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, por lo que Yang y Lee obtuvieron el Nobel de Física de 1957 por su trabajo.

Aunque la interacción débil suele describirse según la teoría de Fermi como una interacción de contacto de cuatro fermiones, el descubrimiento de la violación de la paridad y la teoría de renormalización sugiere que era necesario 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 levógiro) lagrangiano para interacciones débiles. En esta teoría, la interacción débil actúa solo en las partículas levógiras (y antipartículas dextrógiras). Puesto que la reflexión de un espejo de una partícula levógira es una partícula dextrógira, esto explica la máxima violación de la paridad.

Sin embargo, esta teoría permitía la conservación de una simetría compuesta CP. CP combina paridad P (intercambio derecha e izquierda) con conjugación de carga C (intercambio partículas y antipartículas). Los físicos se vieron nuevamente sorprendidos cuando en 1964, James Cronin y Val Fitch aportaron evidencia clara en la desintegración de un kaón, de que la simetría CP podía ser rota también, y que requirió más de dos generaciones de partículas[14]​ lo que les valió el premio Nobel de Física de 1980.[15]​ A diferencia de la violación de la paridad, la violación del CP ocurre sólo en raras circunstancias. 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 forma una de las tres condiciones de Andrei Sakharov para la bariogénesis.[16]

Teoría o modelo electrodébil

El modelo estándar de la física de partículas describe la interacción electromagnética y la interacción débil como dos diferentes aspectos de una única interacción electrodébil, la teoría que fue desarrollada en 1968 por Sheldon Lee Glashow, Abdus Salam y Steven Weinberg. Ellos ganaron el Nobel de Física de 1979 por este trabajo. Esta teoría postulaba la existencia de dos bosones másicos los bosones W y Z que finalmente fueron encontrados empíricamente en 1983 en el CERN.

Acorde a la teoría electrodébil, a muy altas energías, pueden observarse cuatro bosones vectoriales de gauge sin masa y similares al fotón, junto con un campo de Higgs escalar (asociado al bosón de Higgs). Sin embargo, a bajas energías, la interacción con el bosón de Higgs ocasiona una ruptura espontánea de simetría electrodébil mediante el llamado mecanismo de Higgs. La ruptura de la simetría produce tres bosones de Goldstone sin masa que son «comidos» por tres de los bosones de gauge originales, adquiriendo una masa efectiva. Los tres bosones con masa son precisamente los bosones W y Z asociados a la interacción débil, mientras que el cuarto bosón permanece sin masa y es observable como el fotón del campo electromagnético.[17]

Esta teoría tiene un número de predicciones impresionantes, incluyendo una predicción de la masa relativa de los bosones W y Z, antes de su descubrimiento en 1983. Experimentalmente el punto más complicado fue la detección del bosón de Higgs que solo se logró en abril de 2011 y se confirmó la detección en junio de 2012. Producir un bosón de Higgs fue uno de los grandes logros del LHC que se construyó en el CERN.

Véase también

Referencias

  1. Pascual, Ramón. Física general. 1a ed.. Bellaterra (Barcelona): Universitat Autònoma de Barcelona, Servei de Publicacions, 1994, p. 26. ISBN 9788449001826.
  2. Jou i Miravent, David. Matèria i materialisme. Institut d'Estudis Catalans, 1997, p. 20.
  3. Griffiths, David. Introduction to Elementary Particles (en anglès), 2009, p. 59–60. ISBN 978-3-527-40601-2.
  4. Fermi, E. «Versuch einer Theorie der β-Strahlen. I» . Zeitschrift für Physik A, 88, 3–4, 1934, pàg. 161–177. Bibcode: 1934ZPhy...88..161F. DOI: 10.1007/BF01351864.
  5. «El Premio Nobel de Física 1979: Press Release». NobelPrize.org. Nobel Media. Consultado el 22 de marzo de 2011. 
  6. Fermi, Enrico (1934). «Versuch einer Theorie der β-Strahlen. I». Zeitschrift für Physik A 88 (3-4): 161-177. Bibcode:1934ZPhy...88..161F. S2CID 125763380. doi:10.1007/BF01351864. 
  7. Wilson, Fred L. (Diciembre 1968). «Teoría de Fermi sobre la desintegración beta». American Journal of Physics 36 (12): 1150-1160. Bibcode:1968AmJPh..36.1150W. doi:10.1119/1.1974382. 
  8. org/web/20160809083339/https://www.osti.gov/accomplishments/weinberg.html «Steven Weinberg, interacciones débiles e interacciones electromagnéticas». Archivado desde el original el 9 de agosto de 2016. 
  9. . Premio Nobel. Archivado desde el original el 6 de julio de 2014. 
  10. Cottingham & Greenwood (1986, 2001), p. 8
  11. K. Nakamura et al. (Particle Data Group) (2010). «Gauge and Higgs Bosons». Journal of Physics G 37 (7A): 075021. Bibcode:2010JPhG...37g5021N. doi:10.1088/0954-3899/37/7a/075021. 
  12. K. Nakamura et al. (Particle Data Group) (2010). «n». Journal of Physics G 37: 7. Bibcode:2010JPhG...37g5021N. doi:10.1088/0954-3899/37/7a/075021. 
  13. Dzuba, V.A.; Berengut, J.C.; Flambaum, V.V.; Roberts, B. (2012). «Revisiting parity non-conservation in Cesium». Physical Review Letters 109 (20): 203003. PMID 23215482. arXiv:1207.5864. doi:10.1103/PhysRevLett.109.203003. 
  14. Kobayashi, M.; Maskawa, T. (1973). «CP-Violation in the Renormalizable Theory of Weak Interaction». Progress of Theoretical Physics 49 (2): 652-657. Bibcode:1973PThPh..49..652K. doi:10.1143/PTP.49.652. 
  15. «The Nobel Prize in Physics». NobelPrize.org. Nobel Media. 2008. Consultado el 17 March 2011. 
  16. Langacker, Paul (2001). «CP violation and cosmology». En Jarlskog, Cecilia, ed. CP Violation. London, River Edge: World Scientific Publishing Co. p. 552. ISBN 9789971505615. 
  17. C. Amsler et al. (Particle Data Group) (2008). «Review of Particle Physics – Higgs Bosons: Theory and Searches». Physics Letters B 667 (1): 1-6. Bibcode:2008PhLB..667....1A. doi:10.1016/j.physletb.2008.07.018. 

Bibliografía

  • David J. Griffiths (1987). Introduction to Elementary Particles. Wiley, John & Sons, Inc. ISBN 0-471-60386-4. 
  • D.A. Bromley (2000). Gauge Theory of Weak Interactions. Springer. ISBN 3-540-67672-4. 
  • Gordon L. Kane (1987). Modern Elementary Particle Physics. Perseus Books. ISBN 0-201-11749-5. 
  • Walter Greiner; B. Müller (2000). Gauge Theory of Weak Interactions. Springer. ISBN 3-540-67672-4. 
  • G.D. Coughlan; J.E. Dodd; B.M. Gripaios (2006). The Ideas of Particle Physics: An Introduction for Scientists (3rd edición). Cambridge University Press. ISBN 978-0-521-67775-2. 
  • W.N. Cottingham; D.A. Greenwood (2001). An introduction to nuclear physics (2nd edición). Cambridge University Press. p. 30. ISBN 978-0-521-65733-4. 
  • G.L. Kane (1987). Modern Elementary Particle Physics. Perseus Books. ISBN 0-201-11749-5. 
  • D.H. Perkins (2000). Introduction to High Energy Physics. Cambridge University Press. ISBN 0-521-62196-8. 

Enlaces externos

  • Cita del premio Nobel 1957
  • Cita del premio Nobel 1979
  • Cita del premio Nobel 1980
  • Harry Cheung, The Weak Force @Fermilab
  • Fundamental Forces @Hyperphysics, Georgia State University.
  • Brian Koberlein, What is the weak force?
  •   Datos: Q11418

interacción, débil, fuerza, nuclear, débil, también, llamada, fuerza, débil, interacción, débil, cuatro, fuerzas, fundamentales, naturaleza, junto, fuerza, nuclear, fuerte, gravedad, fuerza, electromagnética, fuerza, nuclear, débil, responsable, desintegración. La fuerza nuclear debil tambien llamada fuerza debil o interaccion debil 1 es una de las cuatro fuerzas fundamentales de la naturaleza junto con la fuerza nuclear fuerte la gravedad y la fuerza electromagnetica La fuerza nuclear debil es la responsable de la desintegracion radiactiva de las particulas subatomicas y es la iniciadora del proceso conocido como fision nuclear en las estrellas 2 La teoria de la interaccion debil se conoce tambien como flavordinamica cuantica QFD de las siglas en ingles aunque el termino casi no se utiliza porque la fuerza nuclear debil se entiende mejor en terminos de la teoria electrodebil EWT 3 Es una fuerza de muy corto alcance 10 17 m Cuadro explicativo de las 4 fuerzas fundamentales La desintegracion beta radiactiva se debe a la interaccion debil que transforma un neutron en un proton un electron y un antineutrino electronico Segun el modelo estandar de fisica de particulas la interaccion debil es causada por la emision o absorcion de bosones W y Z por tanto se considera una fuerza sin contacto al igual que las otras tres fuerzas fundamentales La interaccion debil afecta a todos los fermiones conocidos es decir las particulas que tienen un espin una propiedad de todas las particulas semientero es decir de valor El efecto mas conocido de esta emision es la desintegracion beta que es una forma de radiactividad Los bosones W y Z son mucho mas pesados que los protones o neutrones justamente eso explica el corto alcance de la interaccion debil De hecho se denomina debil porque su intensidad de campo es varios ordenes de magnitud menor que la del electromagnetismo y la de la fuerza nuclear fuerte Tiene una propiedad unica llamada cambio de sabor del quark que no ocurre en ninguna otra interaccion Ademas rompe la simetria de paridad y la simetria CP El cambio de sabor permite que los quarks cambien el suyo en ese instante por uno de los otros cinco sabores La fuerza debil fue originalmente descrita en la decada de 1930 por la teoria de Fermi de la interaccion de cuatro fermiones de contacto esto equivale a decir una fuerza sin alcance es decir completamente dependiente del contacto fisico 4 Sin embargo en la actualidad se describe como un campo que tiene un alcance aunque muy pequeno En 1968 la fuerza electromagnetica y la interaccion debil fueron unificadas cuando se descubrio que eran dos aspectos de una sola fuerza que ahora se llama fuerza electrodebil La teoria de la interaccion debil se puede llamar sabordinamica cuantica QFD del ingles quantum flavordynamics en analogia con la cromodinamica cuantica QCD y la electrodinamica cuantica QED 3 Las interacciones debiles son mas apreciables cuando las particulas experimentan una desintegracion beta y en la produccion de deuterio y entonces helio a partir del hidrogeno que sostiene el proceso termonuclear del Sol Esta desintegracion tambien hace posible la datacion basada en el carbono 14 ya que el carbono 14 se desintegra mediante la interaccion debil en nitrogeno 14 Tambien puede crear radioluminiscencia la cual se usa en iluminacion de tritio y en el campo relacionado de los betavoltaics 5 En el modelo estandar de la fisica de particulas la fuerza debil se considera una consecuencia del intercambio de bosones W y Z que son muy masivos y de acuerdo con la relacion de indeterminacion de Heisenberg son de corta vida lo cual explica el escaso alcance de este tipo de fuerzas Indice 1 Antecedentes 2 Historia 3 Descripcion y propiedades 3 1 Propiedades 4 Tipos de Interaccion 4 1 Interaccion de corriente cargada 4 2 Interaccion de corriente neutra 5 Violacion de simetria 6 Teoria o modelo electrodebil 7 Vease tambien 8 Referencias 9 Bibliografia 10 Enlaces externosAntecedentes EditarEl Modelo Estandar de la fisica de particulas proporciona un marco uniforme para entender las interacciones electromagnetica debil y fuerte Una interaccion se produce cuando dos particulas tipicamente pero no necesariamente fermiones de spin semientero intercambian bosones de espin entero portadores de fuerza Los fermiones implicados en estos intercambios pueden ser elementales por ejemplo electron o quark o compuestos por ejemplo proton o neutron aunque en los niveles mas profundos todas las interacciones debiles son en ultima instancia entre particulas elementales En la interaccion debil los fermiones pueden intercambiar tres tipos de portadores de fuerza a saber W W y bosones Z La masa de estos bosones es mucho mayor que la masa de un proton o de un neutron lo que concuerda con el corto alcance de la fuerza debil De hecho la fuerza se denomina debil porque su intensidad de campo en una distancia determinada es tipicamente varios ordenes de magnitud menor que la de la fuerza nuclear fuerte o la fuerza electromagnetica Los quarks que forman las particulas compuestas como los neutrones y los protones tienen seis sabores up down strange charm top y bottom que dan a esas particulas compuestas sus propiedades La interaccion debil es unica ya que permite a los quarks cambiar su sabor por otro El intercambio de estas propiedades esta mediado por los bosones portadores de fuerza Por ejemplo durante la desintegracion beta un quark down dentro de un neutron se cambia por un quark up convirtiendo asi el neutron en un proton y dando lugar a la emision de un electron y un antineutrino de electron Otro ejemplo importante de un fenomeno en el que interviene la interaccion debil es la fusion de hidrogeno en helio que impulsa el proceso termonuclear del Sol La mayoria de los fermiones decaen por una interaccion debil con el tiempo Este decaimiento hace posible la datacion por radiocarbono ya que el carbono 14 decae por la interaccion debil a nitrogeno 14 Tambien puede crear radioluminiscencia comunmente utilizada en la iluminacion con tritio y en el campo relacionado de la betavoltaica 5 La interaccion debil es la unica interaccion fundamental que rompe la simetria de paridad y del mismo modo la unica que rompe la simetria de paridad de carga Durante la epoca quark del universo temprano la fuerza electrodebil se separo en las fuerzas electromagnetica y debil Historia EditarEn 1933 Enrico Fermi propuso la primera teoria de la interaccion debil conocida como la Constante de Fermi Sugirio que la desintegracion beta podia explicarse mediante una interaccion de cuatro fermiones que implicaba una fuerza de contacto sin alcance 6 7 Sin embargo se describe mejor como un campo de fuerza sin contacto que tiene un alcance finito aunque muy corto cita requerida En la decada de 1960 Sheldon Glashow Abdus Salam y Steven Weinberg unificaron la fuerza electromagnetica y la interaccion debil demostrando que eran dos aspectos de una unica fuerza ahora denominada fuerza electrodebil 8 9 La existencia de los bosones W y Z no se confirmo directamente hasta 1983 10 Descripcion y propiedades Editar Diagrama que muestra las rutas de desintegracion debido a la interaccion debil cargada y alguna indicacion de su probabilidad La intensidad de las lineas viene dada por los parametros CKM La interaccion debil es un tipo de interaccion entre particulas fundamentales responsable de fenomenos naturales como la desintegracion beta Como interaccion debil no solo puede ocasionar efectos puramente atractivos o repulsivos como sucede por ejemplo con la interaccion electromagnetica sino que tambien puede producir el cambio de identidad de las particulas involucradas es decir lo que se conoce como una reaccion de particulas subatomicas La interaccion debil con carga electrica es unica en varios aspectos Es la unica interaccion que puede cambiar el sabor de los quarks es decir cambiar un tipo de quark por otro Es la unica interaccion que viola la P o simetria de paridad Tambien es la unica que viola la simetria de carga paridad CP Tanto las interacciones electricamente cargadas como las electricamente neutras estan mediadas propagadas por particulas portadoras de fuerza que tienen masas significativas una caracteristica inusual que se explica en el Modelo Estandar por el mecanismo de Higgs La primera teoria para entender la interaccion debil se remonta a los anos 1914 cuando Fermi propuso su teoria del decaimiento beta en 1933 Sin embargo a finales de la decada de 1960 se propuso una explicacion mas amplia y completamente satisfactoria la teoria electrodebil que explicaba la interaccion debil como un campo de Yang Mills asociado a un grupo de gauge o simetria interna SU 2 Originalmente se la denomino fuerza nuclear debil ya que la interaccion debil esta confinada a muy cortas distancias de poco mas que el nucleo atomico y porque es muy debil en comparacion la fuerza nuclear fuerte que mantiene unidos neutrones y protones Sin embargo si se tiene en cuenta que tambien es la responsable del decaimiento de particulas de la familia del electron como el muon fuera del nucleo se prefiere llamar simplemente debil Sus efectos mas considerables son debido a otra condicion unica su cambio de sabor Debido a la debilidad de esta interaccion los decaimientos debiles son muy lentos comparados con los decaimientos fuertes o los electromagneticos Por ejemplo un decaimiento electromagnetico de un pion neutro tiene una vida de cerca de 10 16 segundos mientras que un decaimiento debil cargado con un pion vive cerca de 10 8 segundos es decir cien millones de veces mas largo Un neutron libre vive cerca de 15 minutos haciendola una particula subatomica inestable con la vida media mas larga conocida Propiedades Editar La interaccion debil afecta a todo lepton con quiralidad zurda y a los quarks Es la unica fuerza que afecta a los neutrinos excepto por la gravitacion que no se puede evitar a escalas del laboratorio La interaccion debil es unica en varios aspectos Es la unica interaccion capaz de cambiar su sabor Es la unica interaccion que viola la paridad de la simetria P ya que solo actua sobre electrones muones y tauones levogiros Esta es tambien la unica que viola la simetria CP Es la que media entre los bosones de gauge pesados Esta caracteristica inusual es explicada en el modelo estandar por el mecanismo de Higgs Debido a la gran masa de las particulas que transportan la interaccion debil cerca de los 90 GeV c2 su vida media esta limitada a cerca de 3 10 27 segundos por el principio de incertidumbre Incluso a la velocidad de la luz este limite efectivo del rango de la interaccion debil de 10 18 metros cerca de mil veces mas pequena que el diametro del nucleo atomico Considerese un neutron contiene un quark up y dos quark down aunque el neutron es mas masivo que su hermano nucleon m neutron 939 5653 MeV m proton 938 27203 MeV no puede decaer en un proton contiene dos quark up y un quark down sin cambiar el sabor de uno de los quarks down La interaccion fuerte o el electromagnetismo no pueden cambiar su sabor por lo que esto solo puede ocurrir a traves de un decaimiento debil En este proceso un quark down en un neutron cambia en un quark up emitiendo un boson W que luego se rompe en electrones de alta energia y un antineutrino electronico Los electrones altamente energeticos son radiacion beta esto es llamado desintegracion beta Tipos de Interaccion Editar El diagrama de Feynman para la desintegracion beta menos de un neutron en un proton electron y antineutrino de electrones a traves de un pesado intermedio boson EN Hay tres tipos basicos de vertices de la interaccion debil hasta la conjugacion de la carga y el cruce simetrico Dos de ellos envuelven bosones cargados que son llamados interacciones de corriente cargada El tercer tipo es llamado interaccion de corriente neutral Un lepton cargado como un electron o un muon puede emitir o absorber un boson W y convertirlo en su correspondiente neutrino Un quark tipo down con carga 1 3 puede emitir o absorber a un boson W y convertirlo en una superposicion de quark up Al contrario un quark up puede convertir en una superposicion de quarks down El contenido exacto de la superposicion es dado por la matriz CKM O bien un lepton o un quark puede emitir o absorber un boson Z Dos interacciones de corrientes cargadas juntas son responsables del fenomeno de la desintegracion beta La interaccion de corriente neutra fue la primera en ser observada en un experimento de dispersion de neutrinos en 1974 y en un experimento de colisiones en 1983 Interaccion de corriente cargada Editar En un tipo de interaccion de corriente cargada un lepton cargado como un electron o un muon con carga 1 puede absorber un boson W como un electron o un muon con carga 1 puede absorber un boson W una particula con carga 1 y convertirse asi en el correspondiente neutrino con carga 0 con carga 0 donde el tipo sabor del neutrino electron muon o tau es el mismo que el tipo de lepton en la interaccion por ejemplo m W n m displaystyle mu W to nu mu Del mismo modo un quark de tipo down d con una carga de 1 3 puede convertirse en un quark de tipo up u con una carga de 2 3 emitiendo un boson W o absorbiendo un boson W Mas concretamente el quark de tipo down se convierte en una superposicion cuantica 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 A la inversa un quark de tipo up puede emitir una boson W o absorber un boson boson W y asi convertirse en un quark de tipo down por ejemplo d u W d W u c s W c W s displaystyle begin aligned d amp to u W d W amp to u c amp to s W c W amp to s end aligned El boson W es inestable por lo que decaera rapidamente con una vida muy corta Por ejemplo W e n e W e n e displaystyle begin aligned W amp to e bar nu e W amp to e nu e end aligned La descomposicion de un boson W en otros productos puede ocurrir con probabilidades variables 11 En la llamada desintegracion beta de un neutron ver imagen arriba un quark down dentro del neutron emite una particula virtual boson W y se convierte asi en un quark up convirtiendo el neutron en un proton Debido a la energia implicada en el proceso es decir la diferencia de masa entre el quark down y el quark up el boson W solo puede convertirse en un electron y en un electron antineutrino 12 A nivel de quarks el proceso puede representarse como d u e n e displaystyle d to u e bar nu e Interaccion de corriente neutra Editar En las interacciones de corriente neutra un quark o un lepton por ejemplo un electron o un muon emite o absorbe un boson Z neutro Por ejemplo e e Z 0 displaystyle e to e Z 0 Como el boson W el boson Z0 tambien decae rapidamente 11 por ejemplo Z 0 b b displaystyle Z 0 to b bar b A diferencia de la interaccion carga corriente cuyas reglas de seleccion estan estrictamente limitadas por la quiralidad la carga electrica y o el isospin debil la interaccion corriente neutra Z boson0 puede hacer que dos fermiones cualesquiera del modelo estandar se desvien Tanto las particulas como las antiparticulas de cualquier carga electrica y tanto la quiralidad izquierda como la derecha aunque la fuerza de la interaccion difiere Los unicos fermiones con los que el boson Z0 no interactua son los hipoteticos esteriles Los antineutrinos quirales izquierdos y los neutrinos quirales derechos Se denominan esteriles porque no interactuarian con ninguna particula del Modelo Estandar pero hasta ahora siguen siendo totalmente una conjetura no se sabe que tales neutrinos existan realmente La carga debil de numero cuantico Q Plantilla Sub cumple el mismo papel en la interaccion de la corriente neutra con el Plantilla Subatomic Particle que la carga electrica Q sin subindice hace en la interaccion electromagnetica cuantifica la parte vectorial de la interaccion Su valor viene dado por 13 Q W 2 T 3 4 Q sin 2 8 W 2 T 3 Q 1 4 sin 2 8 W Q displaystyle Q text W 2 T 3 4 Q sin 2 theta text W 2 T 3 Q left 1 4 sin 2 theta text W right Q Dado que el angulo de mezcla debil 8 W 29 displaystyle theta text W approx 29 circ la expresion entre parentesis 1 4 sin 2 8 W 0 06 displaystyle left 1 4 sin 2 theta text W right approx 0 06 con su valor variando ligeramente con la diferencia de momento corriendo entre las particulas involucradas Por lo cual Q W 2 T 3 Q sgn Q 1 Q displaystyle Q text W approx 2 T 3 Q operatorname sgn Q left 1 left Q right right ya que por convencion sgn T 3 sgn Q displaystyle operatorname sgn T 3 equiv operatorname sgn Q y para todos los fermiones involucrados en la interaccion debil T 3 1 2 displaystyle T 3 pm tfrac 1 2 La carga debil de leptones cargados es entonces cercana a cero por lo que estos en su mayoria interactuan a traves del acoplamiento axial con el Z Violacion de simetria EditarLas leyes de la naturaleza tienden a seguir siendo las mismas si se las mira con el mismo espejo de reflexion la inversion de todos los espacios euclidianos Se esperaba que los resultados de un experimento vistos via un espejo fuesen identicos a los resultados de una copia de todo el experimento reflejada en un espejo La asi llamada ley de conservacion de la paridad fue conocida por ser respetada por la gravitacion clasica y el electromagnetismo entonces se supuso que era una ley universal Sin embargo a mediados de los anos 1950 Chen Ning Yang y Tsung Dao Lee sugirieron que la interaccion debil podria violar esta ley Chien Shiung Wu y otros colaboradores descubrieron en 1957 que la interaccion debil violaba la paridad por lo que Yang y Lee obtuvieron el Nobel de Fisica de 1957 por su trabajo Aunque la interaccion debil suele describirse segun la teoria de Fermi como una interaccion de contacto de cuatro fermiones el descubrimiento de la violacion de la paridad y la teoria de renormalizacion sugiere que era necesario 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 levogiro lagrangiano para interacciones debiles En esta teoria la interaccion debil actua solo en las particulas levogiras y antiparticulas dextrogiras Puesto que la reflexion de un espejo de una particula levogira es una particula dextrogira esto explica la maxima violacion de la paridad Sin embargo esta teoria permitia la conservacion de una simetria compuesta CP CP combina paridad P intercambio derecha e izquierda con conjugacion de carga C intercambio particulas y antiparticulas Los fisicos se vieron nuevamente sorprendidos cuando en 1964 James Cronin y Val Fitch aportaron evidencia clara en la desintegracion de un kaon de que la simetria CP podia ser rota tambien y que requirio mas de dos generaciones de particulas 14 lo que les valio el premio Nobel de Fisica de 1980 15 A diferencia de la violacion de la paridad la violacion del CP ocurre solo en raras circunstancias A pesar de su limitada ocurrencia en las condiciones actuales se cree ampliamente que es la razon por la que hay mucha mas materia que antimateria en el universo y por lo tanto forma una de las tres condiciones de Andrei Sakharov para la bariogenesis 16 Teoria o modelo electrodebil EditarArticulo principal Modelo electrodebil El modelo estandar de la fisica de particulas describe la interaccion electromagnetica y la interaccion debil como dos diferentes aspectos de una unica interaccion electrodebil la teoria que fue desarrollada en 1968 por Sheldon Lee Glashow Abdus Salam y Steven Weinberg Ellos ganaron el Nobel de Fisica de 1979 por este trabajo Esta teoria postulaba la existencia de dos bosones masicos los bosones W y Z que finalmente fueron encontrados empiricamente en 1983 en el CERN Acorde a la teoria electrodebil a muy altas energias pueden observarse cuatro bosones vectoriales de gauge sin masa y similares al foton junto con un campo de Higgs escalar asociado al boson de Higgs Sin embargo a bajas energias la interaccion con el boson de Higgs ocasiona una ruptura espontanea de simetria electrodebil mediante el llamado mecanismo de Higgs La ruptura de la simetria produce tres bosones de Goldstone sin masa que son comidos por tres de los bosones de gauge originales adquiriendo una masa efectiva Los tres bosones con masa son precisamente los bosones W y Z asociados a la interaccion debil mientras que el cuarto boson permanece sin masa y es observable como el foton del campo electromagnetico 17 Esta teoria tiene un numero de predicciones impresionantes incluyendo una prediccion de la masa relativa de los bosones W y Z antes de su descubrimiento en 1983 Experimentalmente el punto mas complicado fue la deteccion del boson de Higgs que solo se logro en abril de 2011 y se confirmo la deteccion en junio de 2012 Producir un boson de Higgs fue uno de los grandes logros del LHC que se construyo en el CERN Vease tambien EditarModelo estandar Hipercarga debilReferencias Editar Pascual Ramon Fisica general 1a ed Bellaterra Barcelona Universitat Autonoma de Barcelona Servei de Publicacions 1994 p 26 ISBN 9788449001826 Jou i Miravent David Materia i materialisme Institut d Estudis Catalans 1997 p 20 a b Griffiths David Introduction to Elementary Particles en angles 2009 p 59 60 ISBN 978 3 527 40601 2 Fermi E Versuch einer Theorie der b Strahlen I Zeitschrift fur Physik A 88 3 4 1934 pag 161 177 Bibcode 1934ZPhy 88 161F DOI 10 1007 BF01351864 El Premio Nobel de Fisica 1979 Press Release NobelPrize org Nobel Media Consultado el 22 de marzo de 2011 Fermi Enrico 1934 Versuch einer Theorie der b Strahlen I Zeitschrift fur Physik A 88 3 4 161 177 Bibcode 1934ZPhy 88 161F S2CID 125763380 doi 10 1007 BF01351864 Wilson Fred L Diciembre 1968 Teoria de Fermi sobre la desintegracion beta American Journal of Physics 36 12 1150 1160 Bibcode 1968AmJPh 36 1150W doi 10 1119 1 1974382 org web 20160809083339 https www osti gov accomplishments weinberg html Steven Weinberg interacciones debiles e interacciones electromagneticas Archivado desde el original el 9 de agosto de 2016 1979 Premio Nobel de Fisica Premio Nobel Archivado desde el original el 6 de julio de 2014 Cottingham amp Greenwood 1986 2001 p 8 a b K Nakamura et al Particle Data Group 2010 Gauge and Higgs Bosons Journal of Physics G 37 7A 075021 Bibcode 2010JPhG 37g5021N doi 10 1088 0954 3899 37 7a 075021 K Nakamura et al Particle Data Group 2010 n Journal of Physics G 37 7 Bibcode 2010JPhG 37g5021N doi 10 1088 0954 3899 37 7a 075021 Dzuba V A Berengut J C Flambaum V V Roberts B 2012 Revisiting parity non conservation in Cesium Physical Review Letters 109 20 203003 PMID 23215482 arXiv 1207 5864 doi 10 1103 PhysRevLett 109 203003 Kobayashi M Maskawa T 1973 CP Violation in the Renormalizable Theory of Weak Interaction Progress of Theoretical Physics 49 2 652 657 Bibcode 1973PThPh 49 652K doi 10 1143 PTP 49 652 The Nobel Prize in Physics NobelPrize org Nobel Media 2008 Consultado el 17 March 2011 Langacker Paul 2001 CP violation and cosmology En Jarlskog Cecilia ed CP Violation London River Edge World Scientific Publishing Co p 552 ISBN 9789971505615 C Amsler et al Particle Data Group 2008 Review of Particle Physics Higgs Bosons Theory and Searches Physics Letters B 667 1 1 6 Bibcode 2008PhLB 667 1A doi 10 1016 j physletb 2008 07 018 Bibliografia EditarDavid J Griffiths 1987 Introduction to Elementary Particles Wiley John amp Sons Inc ISBN 0 471 60386 4 D A Bromley 2000 Gauge Theory of Weak Interactions Springer ISBN 3 540 67672 4 Gordon L Kane 1987 Modern Elementary Particle Physics Perseus Books ISBN 0 201 11749 5 Walter Greiner B Muller 2000 Gauge Theory of Weak Interactions Springer ISBN 3 540 67672 4 G D Coughlan J E Dodd B M Gripaios 2006 The Ideas of Particle Physics An Introduction for Scientists 3rd edicion Cambridge University Press ISBN 978 0 521 67775 2 W N Cottingham D A Greenwood 2001 An introduction to nuclear physics 2nd edicion Cambridge University Press p 30 ISBN 978 0 521 65733 4 G L Kane 1987 Modern Elementary Particle Physics Perseus Books ISBN 0 201 11749 5 D H Perkins 2000 Introduction to High Energy Physics Cambridge University Press ISBN 0 521 62196 8 Enlaces externos EditarCita del premio Nobel 1957 Cita del premio Nobel 1979 Cita del premio Nobel 1980 Harry Cheung The Weak Force Fermilab Fundamental Forces Hyperphysics Georgia State University Brian Koberlein What is the weak force Datos Q11418 Obtenido de https es wikipedia org w index php title Interaccion debil amp oldid 141197454, wikipedia, wiki, leyendo, leer, libro, biblioteca,

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