fuerza débil

5/12/2018 fuerza d bil - slidepdf.com

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MONOGRAFÍA DE APOYO DIDÁCTICO

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.

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

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 yaque 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 ejemplode 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.

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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 enun 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 unantineutrino 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 deun 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 corrientecargada". 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 quarksdown. 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 dedispersión 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: lainversión 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 respetala 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 derenormalización 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, lainteracción 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 unaevidencia 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 interaccióndébil 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, lasimetría de un campo de Higgs tiene una ruptura espontánea de simetría electrodébil por el mecanismode 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 delelectromagnetismo.





Fuerzas fundamentales son aquellas fuerzas del Universo que no se pueden explicar en función de otras

más básicas. Las fuerzas o interacciones fundamentales conocidas hasta ahora son cuatro: gravitatoria,

electromagnética, nuclear fuerte y nuclear débil.

La gravitatoria es la fuerza de atracción que un trozo de materia ejerce sobre otro, y afecta a todos los

cuerpos. La gravedad es una fuerza muy débil y de un sólo sentido, pero de alcance infinito.

La fuerza electromagnética afecta a los cuerpos eléctricamente cargados, y es la fuerza involucrada en

las transformaciones físicas y químicas de átomos y moléculas. Es mucho más intensa que la fuerza

gravitatoria, tiene dos sentidos (positivo y negativo) y su alcance es infinito.

La fuerza o interacción nuclear fuerte es la que mantiene unidos los componentes de los núcleos

atómicos, y actúa indistintamente entre dos nucleones cualesquiera, protones o neutrones. Su alcance

es del orden de las dimensiones nucleares, pero es más intensa que la fuerza electromagnética.

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 lafuerza electromagnética y su alcance es aún menor que el de la interacción nuclear fuerte.

Todo lo que sucede en el Universo es debido a la actuación de una o varias de estas fuerzas que sediferencian unas de otras porque cada una implica el intercambio de un tipo diferente de partícula,

denominada partícula de intercambio o intermediaria. Todas las partículas de intercambio son bosones,

mientras que las partículas origen de la interacción son fermiones.

En la actualidad, los científicos intentan demostrar que todas estas fuerzas fundamentales,

aparentemente diferentes, son manifestaciones, en circunstancias distintas, de un modo único deinteracción. El término "teoría del campo unificado" engloba a las nuevas teorías en las que dos o másde las cuatro fuerzas fundamentales aparecen como si fueran básicamente idénticas.

La teoría de la gran unificación intenta unir en un único marco teórico las interacciones nuclear fuertey nuclear débil, y la fuerza electromagnética. Esta teoría de campo unificado se halla todavía en

proceso de ser comprobada. La teoría del todo es otra teoría de campo unificado que pretende

proporcionar una descripción unificada de las cuatro fuerzas fundamentales.

Hoy, la mejor candidata a convertirse en una teoría del todo es la teoría de supercuerdas. Esta teoría

física considera los componentes fundamentales de la materia no como puntos matemáticos, sino como

entidades unidimensionales llamadas "cuerdas". Incorpora la teoría matemática de supersimetría, quesugiere que todos los tipos de partícula conocidos deben tener una "compañera supersimétrica" todavía

no descubierta. Esto no significa que exista una compañera para cada partícula individual (por ejemplo,

para cada electrón), sino un tipo de partícula asociado a cada tipo conocido de partícula. La partículahipotética correspondiente al electrón sería el selectrón, por ejemplo, y la correspondiente al fotón sería

el fotino. Esta combinación de la teoría de cuerdas y la supersimetría es el origen del nombre de

"supercuerdas".


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