In fisica l'interazione debole (chiamata anche per ragioni storiche forza debole o forza nucleare debole) è una delle quattro interazioni fondamentali. È alla base del decadimento radioattivo degli atomi.
L'interazione debole agisce tra leptoni e quark (interazioni semileptoniche), tra soli leptoni (interazioni leptoniche) e tra soli quark (interazioni non leptoniche) attraverso lo scambio dei bosoni W e Z, bosoni vettoriali dotati di massa. È la sola interazione che interviene sui neutrini, i quali non posseggono né carica elettrica, né carica di colore, e hanno massa tanto piccola che la gravità è trascurabile.
A determinati livelli di energia l'interazione debole è unificata a quella elettromagnetica in un'unica interazione detta elettrodebole.
Storia Il primo prototipo di una teoria dell'interazione debole è la teoria di Fermi del 1933. Questa teoria spiegava il decadimento beta in analogia con l'interazione elettromagnetica, cioè come un'interazione puntiforme di quattro fermioni, con una costante di accoppiamento detta costante di Fermi. Le transizioni delle particelle sono descritte in termini di correnti vettoriali, proprio come per l'elettromagnetismo, con la differenza che, nel caso debole, esse hanno una variazione di carica elettrica.
Tuttavia, la scoperta della violazione di parità osservata nell'esperimento di Wu rese necessario modificare la teoria. In seguito si giunse alla conclusione che l'interazione debole non sia un'interazione di contatto, ma piuttosto un'interazione di corto raggio mediata da particelle con breve vita media, i bosoni W. La scoperta di questi ultimi, avvenuta nel 1983, diede la conferma sperimentale della teoria.
Proprietà
Processi deboli L'interazione debole carica elettricamente è unica per due motivi: è l'unica interazione che può cambiare il sapore di quark e leptoni, cioè può cambiare un tipo di quark in un altro,A causa della sua caratteristica unica di cambiare il sapore, lo studio dell'interazione debole è talvolta chiamato in inglese quantum flavordynamics, , in analogia con "cromodinamica quantistica", la teoria che spiega l'interazione forte. e l'unica interazione che viola la simmetria di parità e la simmetria CP. Infine, sia le interazioni neutre sia quelle cariche agiscono tramite particelle mediatrici (bosoni di gauge) massive, caratteristica unica spiegata dal meccanismo di Higgs nell'ambito del modello standard. A causa della loro grande massa (approssimativamente 90 GeV/c2) questi mediatori, detti bosoni W e Z, hanno una breve vita media minore di .
L'interazione debole ha una costante di accoppiamento (una quantità indicatrice di quanto frequentemente accadono le interazioni) tra e , da confrontare la costante elettromagnetica di circa e la costante dell'interazione forte di 1; questo confronto spiega il termine "debole". L'interazione debole ha un raggio efficace molto piccolo (da a o equivalentemente da 0,01 a ).Per confronto, il raggio di carica del protone è pari a , o A distanze come (), l'interazione debole ha un'intensità di un modulo simile alla forza elettromagnetica, ma questo inizia a diminuire esponenzialmente con l'aumento della distanza. A un ordine di grandezza e mezzo in più, a una distanza di circa , l'interazione debole diventa volte più debole.
L'interazione debole influenza tutti i fermioni del modello standard, e pure il bosone di Higgs; i neutrini interagiscono solo attraverso la gravità e l'interazione debole. L'interazione debole non produce stati legati per cui non ha un'energia di legame - qualcosa che la gravità fa su scala astronomica, che la forza elettromagnetica fa a livello molecolare e atomico, e che la forza forte fa solo a livello subatomico, all'interno dei nuclei.
Il suo effetto più evidente è dovuto alla sua prima caratteristica unica: l'interazione debole carica provoca un cambiamento di sapore. Per esempio, un neutrone è più pesante di un protone (il suo compagno nucleone), e può decadere in un protone cambiando il sapore (o tipo) di uno dei suoi due quark down in un quark up. Né l'interazione forte né l'elettromagnetismo permettono il cambiamento di sapore, quindi questo procede per decadimento debole; senza decadimento debole, anche le proprietà dei quark come la stranezza e il charm (associate rispettivamente al quark strange e al quark charm) sarebbero conservate attraverso tutte le interazioni.
Tutti i mesoni sono instabili per via del decadimento debole.Il pione neutro, tuttavia, decade tramite l'elettromagnetismo e molti mesoni decadono con maggior probabilità tramite l'interazione forte, quando i loro numeri quantici lo permettono. Nel processo chiamato decadimento beta, un quark down all'interno dei neutroni può diventare un quark up emettendo un bosone W che si converte a sua volta in un elettrone e in un antineutrino elettronico. Un altro esempio è la cattura elettronica, una variante comune del decadimento radioattivo, in cui un protone e un elettrone all'interno di un atomo interagiscono e producono un neutrone con emissione di un neutrino elettronico.
Per via delle grandi masse dei bosoni W, le trasformazioni o i decadimenti delle particelle (i cambiamenti di sapore) che dipendono dall'interazione debole tipicamente avvengono molto più lentamente che i medesimi processi che coinvolgono le interazioni forti e elettromagnetiche.L'eccezione più nota e forse unica a questa regola è il decadimento del quark top, la cui massa supera la massa combinata del quark bottom e del bosone W, le particelle che vengono prodotto dal suo decadimento, per cui non ha un limite energetico che rallenta il processo. Ad esempio, un pione neutro decade elettromagneticamente, e ha una vita media solamente di ; per confronto, un pione carico, che può decadere solo debolmente, ha una vita media di , 100 milioni di volte maggiore di quella del pione neutro. Un esempio particolarmente estremo è il tempo di decadimento debole di un neutrone libero che è circa 15 minuti.
Isospin debole e ipercarica debole
+Fermioni sinistrorsi nel modello standardGenerazione 1Generazione 2Generazione 3FermioneSimboloIsospindeboleFermioneSimboloIsospindeboleFermioneSimboloIsospindebole Neutrino elettronico Neutrino muonico Neutrino tauonico Elettrone Muone Tauone Quark up Quark charm Quark top Quark down Quark strange Quark bottom
Tutte le particelle hanno una proprietà detta isospin debole e indicata con , che serve come numero quantico che regola le interazioni delle particelle con i bosoni della forza debole. L'isospin debole gioca lo stesso ruolo che gioca la carica elettrica nell'elettromagnetismo, e la carica di colore nell'interazione forte; la grandezza equivalente per le interazioni con lo Z è detta carica debole. Tutti i fermioni sinistrorsi hanno isospin debole pari a o ; mentre tutti i fermioni destrorsi hanno isospin debole 0. Ad esempio, il quark up ha mentre il quark down . Un quark non decade mai debolmente in un quark con lo stesso : i quark con decadono in quark con e viceversa.
In ogni interazione, l'isospin debole è conservato: la somma dei numeri di isospin delle particelle che entrano nell'interazione è uguale alla somma dei numeri delle particelle che escono da quell'interazione. Ad esempio, un , con isospin +1 normalmente decade in un (con ) e (antiparticella con ).
Per lo sviluppo della teoria elettrodebole, è stata creata una nuova quantità, detta ipercarica debole, definita come:
dove è l'ipercarica debole di una particella con carica elettrica (in unità di carica elementare) e isospin debole . L'ipercarica debole è il generatore della componente U(1) del gruppo di gauge elettrodebole, mentre alcune particelle hanno un isospin debole di zero, tutte le particelle con spin hanno un'ipercarica non nulla.Alcuni fermioni ipotizzati, come il neutrino sterile, avrebbero ipercarica zero – in effetti, nessun tipo di carica di gauge. L'esistenza di questo tipo di particelle è ancora un attivo campo di ricerca.
Tipi di interazione Ci sono due tipi di interazione debole (chiamati, nel linguaggio del modello standard, vertici). Il primo tipo è chiamato "interazione a corrente carica" perché è mediata da particelle dotate di carica elettrica (i bosoni e ). Essa è responsabile del decadimento beta. Il secondo tipo è chiamato "interazione a corrente neutra" perché è mediata da una particella neutra, il bosone . È responsabile della (rara) deflessione dei neutrini. I due tipi di interazione seguono regole di selezione differenti.
Interazione a corrente carica In un tipo di interazione a corrente carica, un leptone carico (ad esempio un elettrone o un muone, aventi una carica di −1) possono assorbire un bosone (una particella con carica +1) e possono pertanto convertirsi nel corrispondente neutrino (con carica 0), dove il tipo ("sapore") di neutrino (elettronico, muonico o tauonico) dipende dal tipo di leptone nell'interazione, ad esempio:
Similmente, un quark di tipo down (d, con carica −) può essere convertito in un quark di tipo up (u, con carica +), emettendo un bosone o assorbendo un bosone . Più precisamente, il quark di tipo down diventa una sovrapposizione di quark di tipo up: questo vuol dire che ha una probabilità di diventare uno qualsiasi dei tre quark di tipo up, con le probabilità determinate dalla matrice CKM. Al contrario, un quark di tipo up può emettere un bosone , o assorbire un bosone , e pertanto essere convertito in un quark di tipo down, per esempio:
I bosoni W sono instabili, con una vita media molto breve, quindi decadranno rapidamente. Per esempio:
I bosoni W possono decadere, con probabilità variabili, anche in altri prodotti.
Nel cosiddetto decadimento beta di un neutrone (in figura), un quark down all'interno del neutrone emette un bosone virtuale e si converte in un quark up, provocando la conversione del neutrone in un protone. A causa dell'energia coinvolta nel processo (ovvero la differenza di massa tra il quark down e il quark up), il bosone può convertirsi solamente in un elettrone e in un antineutrino elettronico. A livello dei quark il processo può essere rappresentato come segue:
Interazione a corrente neutra Nelle interazioni a corrente (debole) neutra, un quark o un leptone (ad esempio, un elettrone o un muone) emette o assorbe un bosone Z neutro. Per esempio:
Come i bosoni , anche il bosone decade rapidamente, ad esempio:
A differenza dell'interazione a corrente carica, le cui regole di selezione sono strettamente limitate dalla chiralità, dalla carica elettrica, e dall'isospin debole /, l'interazione a corrente neutra portata dallo può causare la deflessione di due fermioni qualunque del modello standard: sia particelle, sia antiparticelle, con qualsiasi carica elettrica, e con qualsiasi chiralità, anche se la forza dell'interazione varia.Gli unici fermioni con cui il bosone non interagisce sono gli ipotetici neutrini "sterili": antineutrini levogiri e neutrini destrogiri. Sono chiamati "sterili" perché non interagirebbero con nessuna della particelle del modello standard, ma rimangono un'ipotesi: non c'è ancora alcuna prova della loro esistenza.
Violazione delle simmetrie
Violazione della simmetria P Si è a lungo pensato che le leggi della natura rimanessero le stesse sotto l'azione di quella che oggi è chiamata simmetria P o parità, la quale consiste nell'invertire tutti gli assi spaziali (detto più banalmente, consiste nell'invertire la destra con la sinistra e viceversa). Si credeva che questa fosse una legge universale e dagli esperimenti risultava che le leggi della gravità e dell'elettromagnetismo la rispettassero: infatti, se di un apparato sperimentale che produce un determinato risultato si costruisce una copia identica, ma speculare, quest'ultima dovrebbe fornire lo stesso risultato del primo apparato.