Fuerza nuclear débil

La interacción débil, frecuentemente llamada fuerza débil o fuerza nuclear débil, es una de las cuatro fuerzas fundamentales de la naturaleza. En el modelo estándar de la física de partículas, ésta se debe al intercambio de los bosones W y Z, que son muy masivos. El efecto más familiar es el decaimiento beta (de los neutrones en el núcleo atómico) y la radiactividad. La palabra "débil" deriva del hecho que un campo de fuerzas es de 1013 veces menor que la interacción nuclear fuerte; aun así esta interacción es más fuerte que la gravitación a cortas distancias (Astromia).

La fuerza o interacción nuclear débil es la responsable de la desintegración beta de los neutrones; los neutrinos son sensibles únicamente a este tipo de interacción. Su intensidad es menor que la de la fuerza electromagnética y su alcance es aún menor que el de la interacción nuclear fuerte (Astromia).

Para entender la fuerza nuclear hay que saber los siguientes hechos:

Los núcleos atómicos están hechos de protones y neutrones

Tanto los protones como los neutrones, están constituidos por tres quarks cada uno

Un protón (que tiene carga eléctrica positiva) puede convertirse en un neutrón (que no tiene carga) examinando los quarks que componen a ambos apreciamos que

Un protón está hecho de 2 quarks de tipo U y 1 quark de tipo D

Un neutrón está hecho de 1 quark de tipo U y 2 quarks de tipo D.

Con lo que basta con cambiar un quark tipo U a uno tipo D.

Esto es exactamente lo que ocurre en la naturaleza cuando entra en acción la fuerza nuclear débil. Un quark tipo U cambia a uno tipo D por medio de la interacción débil

Las otras dos partículas que salen son un anti-electrón y un neutrino.

Este mismo proceso es el responsable del decaimiento radiactivo de algunos núcleos atómicos. Cuando un neutrón se convierte en un protón en el decaimiento radiactivo de un núcleo, aparece un electrón y un neutrino. Este es el origen de la radiación beta (electrónes). 

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 (Wikipedia):

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 sólo actúa sobre electrones, muones y tauones de izquierdas). 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.

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 esto sólo 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.

Debido a la debilidad de la interacción débil, 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; un decaimiento débil cargado con un pion vive cerca de 10^-8  segundos, cien millones de veces más largo. Un neutrón libre vive cerca de 15 minutos, haciéndola una partícula subatómica inestable con la más larga vida media conocida.

La fuerza débil sólo actúa a distancias menores al 0,1% del diámetro del protón, y sus efectos en un átomo son muchos órdenes de magnitud menores que los de la fuerza electromagnética. Por ello, la interacción débil sólo puede ser detectada con experimentos de extrema precisión.

Ahora, Konstantin Tsigutkin y sus colegas de la Universidad de California en Berkeley (EE.UU.) informan en Physical Review Letters de un experimento con iterbio (elemento químico de símbolo Yb) en el que se ha observado el mayor efecto en átomos de la interacción débil hasta la fecha. El grupo de Berkeley realizó mediciones con láser para determinar cómo la fuerza débil, que modifica muy ligeramente las interacciones entre los electrones y el núcleo, afecta al estado fundamental del Yb. Las interacciones observadas son 100 veces mayores de las que se habían observado en el cesio (Cs), el elemento en el que se hicieron las primeras mediciones y en el que se han hecho las más precisas determinaciones de los efectos de la interacción débil. El hallazgo de un efecto tan grande en el Yb anima a seguir buscando interacciones de la fuerza débil en otros átomos pesados y representa en sí mismo una oportunidad para usar técnicas de física atómica a nivel de laboratorio para investigar una nueva física más allá del modelo estándar sin recurrir a costosísimos aceleradores de partículas.

Sabemos que la materia consiste de fermiones: los leptones como el electrón, y los quarks, que forman hadrones como los protones y los neutrones. Las fuerzas entre partículas de materia se ejercen por mediación del intercambio de bosones de gauge: el fotón (sin masa) para la interacción electromagnética, los bosones Z0, W+, y W- (con masa) para la débil, y ocho gluones para la fuerte. Una consecuencia del modelo estándar es que las interacciones electromagnética y la débil son meras manifestaciones diferentes de una única fuerza electrodébil. Esta unificación fue la que llevó a la predicción de la existencia del bosón Z0, que fue observado posteriormente tanto en los experimentos de dispersión de neutrinos de alta energía como en átomos a baja energía. El intercambio del bosón Z0 en los átomos entre los electrones y el núcleo se asocia con una violación de la paridad (simetría) lo que se manifiesta, por ejemplo, en una diferente absorción de la luz polarizada circular a izquierda o a derecha.