miniaturadaimagem| O decaimento beta radioativo é devido à interação fraca, que transforma um nêutron em um próton, um elétron, e um antineutrino do elétron.

Em física nuclear e física de partículas, a interação fraca, que também é chamada de força fraca ou força nuclear fraca, é uma das 4 interações fundamentais conhecidas, sendo as outras a interação eletromagnética, a interação forte e a gravitação. Ela é o mecanismo de interação entre partículas subatômicas que é responsável pelo decaimento radioativo de átomos: A interação fraca participa da fissão nuclear e da fusão nuclear. A teoria que descreve seu comportamento e efeitos é às vezes chamada de dinâmica quântica de sabor (QFD, do inglês quantum flavourdynamics), entretanto, o termo QFD é raramente usado, já que a força fraca é melhor compreendida pela teoria eletrofraca (EWT, do inglês electroweak theory).

O alcance efetivo da força fraca está limitado às distâncias subatômicas, e é menor do que o diâmetro de um próton.

Contexto O Modelo Padrão de física de partículas provê uma estrutura uniforme para o entendimento das interações eletromagnética, fraca e forte. Uma interação ocorre quando duas partículas (geralmente, mas não necessariamente, férmions com spin semi-inteiro) trocam bósons portadores de força com spin inteiro. Os férmions envolvidos em tais trocas podem ser elementares (e.g. elétrons ou quarks) ou compostos (e.g. prótons ou nêutrons), apesar de que nos níveis mais fundamentais, todas as interações fracas ocorrem entre partículas elementares.

Na interação fraca, férmions podem trocar três tipos de portadores de força, a saber os bósons , e . As massas desses bósons são muito maiores do que a massa de um próton ou um nêutron, o que é consistente com o alcance curto da força fraca. Na verdade, a força é denominada fraca porque sua intensidade de campo para qualquer dada distância é tipicamente várias ordens de grandeza menor do que a da força eletromagnética, que por sua vez é várias ordens de grandeza menor do que a força nuclear forte.

A interação fraca é a única interação fundamental que quebra a simetria de paridade, e similarmente, mas muito mais raramente, a única interação a quebrar a simetria de carga-paridade.

Quarks, que compõem partículas compostas como nêutrons e prótons, vêm em seis “sabores” — up, down, estranho, charmoso, top e bottom — que dão às partículas compostas suas propriedades. A interação fraca é a única que permite aos quarks trocarem seus sabores. A troca dessas propriedades é mediada pelos bósons portadores de força. Por exemplo, durante um decaimento beta menos, um quark down dentro de um nêutron é alterado para um quark up, convertendo o nêutron em um próton e resultando na emissão de um elétron e um antineutrino do elétron. Outro exemplo importante de fenômeno envolvendo a interação fraca é a fusão do hidrogênio em hélio que alimenta o processo termonuclear do Sol.

A maioria dos férmions decai por uma interação fraca ao longo do tempo. Tais decaimentos tornam possível a datação por radiocarbono, já que o carbono-14 decai para o nitrogênio-14 através da força fraca. Ela também pode criar radioluminescência, comumente usada na luminescência de trítio, e no campo relacionado de betavoltaicos (mas a não similar luminescência de rádio).

A força eletrofraca foi separada nas forças eletromagnética e fraca durante a era quark do universo primitivo.

História Em 1933, Enrico Fermi propôs a primeira teoria da interação fraca, conhecida como interação de Fermi. Ele sugeriu que o decaimento beta poderia ser explicado por uma interação de quatro férmions, envolvendo uma força de contato sem alcance. Assim numa interação fraca um neutrino é sempre produzido com um pósitron, ou um antineutrino com um elétron, o que dá um conjunto de carga eletricamente carregado.

Entretanto, ela é melhor descrita como um campo de força sem contato de alcance finito, embora muito curto. Na década de 1960, Sheldon Glashow, Abdus Salam e Steven Weinberg unificaram a força eletromagnética e a interação fraca ao mostrar que eram dois aspectos de uma única força, agora denominada a força eletrofraca.

thumb|direita|180px|A Gargamela no museu Microcosmo do CERN. Em 1973, a equipe que realizou experiências na câmara de bolhas Gargamela com um feixe de neutrinos do CERN apresentou a primeira evidência direta da existência de interação fraca eletricamente neutra, a força nuclear fraca.

A existência dos bósons W e Z não havia sido confirmada diretamente até 1983.

Propriedades direita|miniaturadaimagem|294px|Um diagrama representando as rotas de decaimento devido à interação fraca carregada e alguns indicadores de suas probabilidades. A intensidade das linhas é dada pelos parâmetros CKM. A interação fraca eletricamente carregada é única em vários aspectos:

É a única interação que pode mudar o sabor de quarks e léptons (i.e., alterar o tipo de um quark para outro). É a única interação que viola a simetria de paridade. É também a única que viola a simetria carga-paridade. Ambas as interações eletricamente carregada e eletricamente neutra são mediadas (propagadas) por partículas portadoras de força que possuem massas expressivas, uma propriedade incomum que é explicada no Modelo Padrão pelo mecanismo de Higgs.

Devido às suas grandes massas (aproximadamente 90 GeV/c2) essas partículas portadoras, chamadas de bósons W e Z, têm vida curta com um tempo de vida abaixo de  segundos. A interação fraca possui uma constante de acoplamento (um indicador de quão frequentemente as interações ocorrem) entre 10–7 e 10–6, em comparação à constante de acoplamento eletromagnética que está em torno de 10−2 e à constante de acoplamento da interação forte que está em torno de ; consequentemente a interação fraca é ‘fraca’ em termos de intensidade. A interação fraca possui um alcance efetivo muito pequeno (em torno de 10−17 a 10−16 m, que equivale a 0,01 fm e 0,1 fm, respectivamente). A distâncias em torno de 10−18 metros (0,001 fm), a interação fraca possui intensidade de magnitude similar a da força eletromagnética, mas que começa a diminuir exponencialmente com o aumento da distância. Ampliada por apenas uma ordem e meia de grandeza de magnitude, a distâncias em torno de 3×10−17 m, a interação fraca se torna 10.000 vezes mais fraca.

A interação fraca afeta todos os férmions do Modelo Padrão, assim como o bóson de Higgs; neutrinos interagem somente pela gravidade e pela interação fraca. A interação fraca não produz estados ligados nem envolve energias de ligação — algo que a gravidade faz em escala astronômica, que a força eletromagnética faz a níveis moleculares e atômicos, e a força nuclear forte faz somente a nível subatômico, dentro do núcleo.

Seu efeito mais notável é devido à sua primeira característica única: a interação fraca carregada produz mudança de sabor. Por exemplo, um nêutron é mais pesado que um próton (seu nucleon associado), e pode decair em um próton pela troca do sabor (tipo) de um de seus dois quarks down para um quark up. Nem a interação forte nem o eletromagnetismo permitem a troca de sabor, logo isso só pode ocorrer pelo decaimento fraco; sem o decaimento fraco, certas propriedades dos quarks como a estranheza e o charme (associadas com o quark estranho e o quark charmoso, respectivamente) também teriam que ser conservadas através de todas as interações.

Todos os mésons são instáveis devido ao decaimento fraco. No processo conhecido por decaimento beta, um quark down em um nêutron pode mudar para um quark up ao emitir um bóson virtual que então decai em um elétron e um antineutrino do elétron. Outro exemplo é a captura eletrônica — uma variante comum do decaimento radioativo — onde um próton e um elétron dentro de um átomo interagem, e mudam para um nêutron (um quark up muda para um quark down) e um neutrino do elétron é emitido.

Devido às grandes massas dos bósons W, as transformações de partículas ou decaimentos (e.g., mudança de sabor) que dependem da interação fraca ocorrem tipicamente muito mais devagar do que transformações ou decaimentos que dependem somente das forças forte ou eletromagnética. Por exemplo, um píon neutro decai eletromagneticamente, e portanto tem uma vida de somente  segundos. Diferentemente, um píon carregado só pode decair pela força fraca, e portanto existe por volta de  segundos, ou cem milhões de vezes mais tempo do que um píon neutro. Um exe mplo particularmente extremo é o decaimento por força fraca de um nêutron livre, que leva em torno de 15 minutos.

Isospin fraco e hipercarga fraca +Férmions levógiros no Modelo Padrão 1ª Geração 2ª Geração 3ª Geração Férmion Símbolo Isospin Fraco Férmion Símbolo Isospin Fraco Férmion Símbolo Isospin Fraco Neutrino do elétron Neutrino do múon Neutrino do tau Elétron Múon Tau Quark upu Quark charmoso Quark top Quark Downd Quark estranho Quark bottom Todas as partículas levógiras (regulares) acima possuem anti-partículas dextrógiras correspondentes com isospin igual e oposto. Todas as partículas dextrógiras (regulares) e antipartículas levógiras possuem isospin fraco igual a 0. Todas as partículas têm a propriedade chamada de isospin fraco (símbolo T3), que serve como um número quântico aditivo que restringe como a partícula interage com os da força fraca. O isospin fraco desempenha o mesmo papel na interação fraca com que a carga elétrica desempenha no eletromagnetismo, e a carga de cor na interação forte; um número diferente com um nome similar, carga fraca, discutida abaixo, é usada para interações com o . Todos os férmions levógiros possuem como valor de isospin fraco ou ; todos os férmions dextrógiros tem isospin 0. Por exemplo, o quark up tem e o quark down tem . Um quark nunca decai pela interação fraca em um quark com o mesmo : Quarks com um de somente decaem em quarks com e vice-versa. direita|miniaturadaimagem|Decaimento do π+  através da interação fraca Para qualquer dada interação, o isospin fraco é conservado: A soma dos números de isospin fraco de partículas entrando na interação é igual a soma dos números de isospin fraco das partículas saindo da interação. Por exemplo, um (levógiro), com um isospin fraco igual a normalmente decai em um (com ) e um (como uma antipartícula dextrógira, ).

Para o desenvolvimento da teoria eletrofraca, outra propriedade, a hipercarga fraca, foi inventada, definida como:

onde é a hipercarga fraca de uma partícula com carga elétrica (em unidades de carga elementar) e isospin fraco . Hipercarga fraca é a geradora da componente U(1) do grupo de gauge eletrofraco; enquanto algumas partículas têm isospin fraco igual a zero, todas as partículas de spin conhecidas têm hipercarga fraca diferente de zero.

Tipos de interações Existem dois tipos de interação fraca (chamados de vértices). O primeiro tipo é chamado de “interação de corrente-carregada” porque os férmions fracamente interagentes formam uma corrente com carga elétrica total não nula. O segundo tipo é chamado de “interação de corrente-neutra” porque os férmions fracamente interagentes formam uma corrente com carga elétrica total nula. Ela é responsável pela (rara) deflexão de neutrinos. Os dois tipos de interação seguem diferentes regras de seleção. Essa convenção de nomenclatura é muitas vezes mal interpretada para rotular a carga elétrica do bósons W e Z, entretanto a convenção de nomenclatura antecede o conceito de bósons mediadores, e claramente (pelo menos no nome) rotula a carga da corrente (formada pelos férmions), não necessariamente os bóson.

Interação de corrente-carregada direita|miniaturadaimagem|200x200px| O diagrama de Feynman para o decaimento beta-menos de um nêutron em um próton, elétron e um antineutrino do elétron, por intermédio de bóson W- pesado