Un vistazo a la interacción débil

Publicado el Miércoles, 11 de noviembre de 2009 por MiGUi en Física
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NOTA: Este artículo se considera desfasado tras la publicación de La violación de la simetría CP, el problema de por qué el universo no es una aburrida sopa de fotones

Han publicado en Arxiv (arxiv.org/abs/0911.0058) un interesantísimo paper de Historia de la Física titulado “The Weak Force: from Fermi to Feynmann” y firmado por Alexander Lesov de la University of South Carolina, en el que se cuenta la historia de la fuerza débil. Traduzco a continuación un breve extracto:

Si uno se tomase unos minutos observando los fenómenos físicos que ocurren a su alrededor, llegaría a la conclusión de que sólo existen dos fuerzas fundamentales: la gravitatoria y la electromagnética. Hace tan sólo un siglo, esta opinión era mayoritaria entre los físicos. Tras unas cuantas décadas invertidas en observar escalas cada vez más pequeñas, en el corazón de la materia hubo que añadir dos tipos nuevos de fuerzas a la lista. De estas dos fuerzas, la llamada “débil” es quizás la que ha hecho más por desarraigar de esa creencia y guiarnos hacia un entendimiento más profundo de nuestro universo.

La fuerza débil recibe su nombre porque a la escala de sus interacciones es la más débil dentro del modelo estándar. Pero ojo, esto no incluye la gravedad, puesto que la gravedad no pertenece al modelo estándar por el momento. La interacción débil ocurre a una escala de 10^{-17} metros, es decir, la centésima parte del diámetro de un protón y en una escala de tiempos muy variada, desde 10^{-13} segundos hasta unos 5 minutos. Para hacernos una idea, esta diferencia de órdenes de magnitud es la misma que hay entre 1 segundo y 30 millones de años.

Conocer la escala de tiempos y distancias es importante, porque nos da una idea de si un proceso puede ocurrir o no según una cierta interacción. Por ejemplo, el tiempo típico de una interacción fuerte ronda los 10^{-23} segundos. Por norma general, salvo que haya algo que lo impida (inhibición), cuanto más intensa es una fuerza, más rápido tenderán a producirse los procesos que la involucren.

Bien, hablando de intensidades relativas se puede utilizar la constante de acoplamiento para darnos una idea. Si tomamos como “1″ el valor de la intensidad de la interacción fuerte, la interacción electromagnética sería la segunda en la lista con una intensidad de “1/137″ (el valor de \alpha la constante de estructura fina), la tercera sería la fuerza débil, con una intensidad de “10^{-6}” (como vemos, unas 100.000 veces menos intensa que la electromagnética). Y muy lejos en esta lista se encuentra la fuerza gravitatoria, cuya intensidad es de 10^{-39}. Es tan enorme la diferencia que es en la práctica imposible aislar procesos para únicamente considerar la gravedad, eso sin contar la dificultad experimental de llevarlos a cabo. Debido a su pequeñez, la gravedad no se puede considerar dentro del Modelo Estándar.

Pues bien, hablando de interacciones entre partículas subatómicas. Para saber si un proceso ocurre mediante la interacción fuerte, débil o electromagnética en muchas ocasiones basta fijarse en quién se desintegra y cuales son los productos que da. Esto se debe a que existen una serie de magnitudes que se deben conservar. En cierto modo existe una especie de jerarquía, de orden de preferencia. Cada fuerza tiene asociado una partícula de espín entero (bosón) que es su partícula portadora. En la fuerte, son los 8 tipos de gluón. En la electromagnética es el fotón y en la débil son los bosones W^{+}, W^{-}, Z^{0}.

Si pueden interaccionar electromagnética o fuertemente lo harán salvo que haya algo que lo inhiba por la sencilla razón de que la escala de tiempos y distancias es más pequeña cuanto más intensa. Para entendernos, si dos partículas pueden interaccionar fuertemente porque están lo bastante cerca para hacerlo, es muy poco probable que pase el tiempo suficiente como para que lo hagan de cualquier otra manera. La interacción fuerte ocurre mucho más deprisa que cualquier otra, y por tanto si es posible, será la preferente. Salvo que, como decía, haya algo que lo impida o simplemente por pura probabilidad ocurra.

Las partículas que pueden interaccionar fuertemente son los quarks y los gluones y por supuesto las partículas formadas a partir de los quarks (bariones y mesones). Así, un electrón que es una partícula fundamental que no está compuesta por quarks, no puede interactuar fuertemente. Así que lo podrá hacer electromagnética o débilmente. Así que si vemos que aparece un electrón, inmediatamente podemos descartar que ese proceso haya sido mediado por la interacción fuerte.

Se suele decir que la interacción fuerte es la responsable de que los núcleos atómicos permanezcan unidos. Porque claro, los protones son cargas positivas y deberían repelerse. Así que debe existir algo que sea más fuerte que la repulsión para que no salgan despedidos. Y por supuesto, ahí entra la fuerza fuerte. Aunque en realidad se trata de un efecto residual. En el núcleo tenemos protones y neutrones, ambos constituídos por 3 quarks. El protón está constituido por 2 quarks “up” y 1 “down” y el neutrón por 1 quark “up” y 2 quarks “down”. Se llama sabor a los tipos de quarks que existen: up, down, strange, charmed, top, bottom.

La reacción que tiene lugar se puede esquematizar con esta imagen:

La reacción podemos entenderla como que el protón ha emitido una partícula constituida por un quark “up” y un quark “antidown” llamada pión, que ha interaccionado con el neutrón y al cabo del tiempo, el protón es un neutrón y el neutrón es un protón. Realmente lo que tenemos es un intercambio de piones, por eso se llama “interacción nuclear fuerte” o residual. Vemos que netamente no ha habido cambio, sigue habiendo el mismo número de neutrones que de protones que había.

De manera similar, tenemos ejemplos de interacción débil en la conocida como emisión de radiación beta. En el siguiente diagrama de Feynman lo podemos ver:

Los diagramas de Feynman tienen el tiempo en el eje vertical, podemos ver que la reacción global es un neutrón que se convierte en un protón y para ello debe emitir un electrón (para conservar la carga eléctrica) y un antineutrino electrónico (para conservar el número leptónico).

n \to p + e^{-} + \bar \nu_{e}

A “pequeña escala” vemos que un quark “u” del neutrón se ha convertido en un quark “d” emitiendo un bosón W^{-} y otras partículas. Esta se conoce como emisión beta menos. Como vemos, un quark up ha cambiado de sabor a down. Los cambios de sabor son típicas reacciones de interacción débil. Y aunque la probabilidad de que ocurra es baja porque los quarks preferirían interactuar fuertemente, está claro que cuanta más materia tengamos más probable es que ocurra aunque tarde mucho en suceder. Para hacernos una idea, el periodo de semidesintegración (es decir, el tiempo necesario para que una muestra de isótopo radiactivo se reduzca a la mitad) del potasio 40 por radiación beta es de 1270 millones de años.

La observación de la desintegración beta fue precisamente la que dió pie a encontrar la interacción débil (ver capítulo 1. A New Force). Y nada, otro día sigo.

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