Interacción nuclear débil

La interacción débil, frecuentemente llamada fuerza débil o fuerza nuclear débil, es una de las cuatro fuerzas fundamentales de la naturaleza. Esta fuerza es la responsable de fenómenos naturales como la desintegración de la naturaleza radiactiva. El efecto más familiar es el decaimiento beta (de los neutrones en el núcleo atómico) y la radiactividad. Es una fuerza de muy corto alcance, 10^–17 m. La palabra «débil» deriva del hecho de que su intensidad es 0.01 veces la de la interacción nuclear fuerte. Aun así esta interacción es más fuerte que la gravitación a cortas distancias.

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.

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 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.

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:

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.

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».

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.

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, lo que les valió el premio Nobel de Física de 1980. A diferencia de la violación de la paridad, la violación CP sucede en pocos casos, pero sigue siendo aceptada como explicación de la diferencia entre la cantidad de materia y antimateria en el universo.

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.

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.