Interação fraca - Weak interaction

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

Em física nuclear e física de partículas , a interação fraca , que também é freqüentemente chamada de força fraca ou força nuclear fraca , é uma das quatro interações fundamentais conhecidas , com as outras sendo eletromagnetismo , interação forte e gravitação . É o mecanismo de interação entre as partículas subatômicas que é responsável pela decadência radioativa dos átomos. A interação fraca participa da fissão nuclear , e a teoria que descreve seu comportamento e efeitos é às vezes chamada de dinâmica quântica de sabores ( QFD ). No entanto, o termo QFD raramente é usado, porque a força fraca é melhor compreendida pela teoria eletrofraca (EWT).

O alcance efetivo da força fraca é limitado a distâncias subatômicas e é menor que o diâmetro de um próton.

Fundo

O modelo padrão da física de partículas fornece uma estrutura uniforme para a compreensão das interações eletromagnéticas, fracas e fortes. Uma interacção ocorre quando duas partículas (tipicamente, mas não necessariamente semi-inteiros de spin férmions ) troca de spin inteiro, que transmitem a força bosões . Os férmions envolvidos em tais trocas podem ser elementares (por exemplo, elétrons ou quarks ) ou compostos (por exemplo, prótons ou nêutrons ), embora nos níveis mais profundos, todas as interações fracas sejam, em última análise, entre partículas elementares .

No interacção fraca, fermiones pode trocar três tipos de transportadores de força, ou seja, W + , W - , e Z bosões . As massas desses bósons são muito maiores do que a massa de um próton ou nêutron, o que é consistente com o curto alcance da força fraca. Na verdade, a força é denominada fraca porque sua intensidade de campo em uma determinada distância é tipicamente várias ordens de magnitude menor do que a da força nuclear forte ou da força eletromagnética.

Quarks , que formam partículas compostas como nêutrons e prótons, vêm em seis "sabores" - para cima, para baixo, estranho, charme, superior e inferior - que dão a essas partículas compostas suas propriedades. A interação fraca é única porque permite que os quarks troquem seu sabor por outro. A troca dessas propriedades é mediada pelos bósons portadores de força. Por exemplo, durante o decaimento beta menos , um quark down dentro de um nêutron é transformado em um quark up, convertendo assim o nêutron em um próton e resultando na emissão de um elétron e um antineutrino de 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. Tal decaimento torna possível a datação por radiocarbono , uma vez que o carbono-14 decai através da interação fraca com o nitrogênio-14 . Também pode criar radioluminescência , comumente usada em iluminação de trítio e no campo relacionado de betavoltaicos .

A interação fraca é a única interação fundamental que quebra a simetria de paridade e , da mesma forma, a única que quebra a simetria de paridade de carga .

Durante a época de quark do início do universo , a força eletrofraca se separou em forças eletromagnéticas e fracas.

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.

No entanto, é melhor descrito como um campo de força sem contato com uma faixa finita, embora muito curta. Na década de 1960, Sheldon Glashow , Abdus Salam e Steven Weinberg unificaram a força eletromagnética e a interação fraca, mostrando que eram dois aspectos de uma única força, agora chamada de força eletrofraca.

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

Propriedades

Um diagrama que descreve as rotas de decaimento devido à interação fraca carregada e alguma indicação de sua probabilidade. A intensidade das linhas é dada pelos parâmetros CKM .

A interação fraca eletricamente carregada é única em vários aspectos:

Devido à sua grande massa (aproximadamente 90 GeV / c 2 ), essas partículas portadoras, chamadas de bósons W e Z, têm vida curta, com vida útil de menos de 10 −24  segundos. A interação fraca tem uma constante de acoplamento (um indicador de força de interação) entre 10 −7 e 10 −6 , em comparação com a constante de acoplamento de interação forte de 1 e a constante de acoplamento eletromagnética de cerca de 10 −2 ; conseqüentemente, a interação fraca é "fraca" em termos de força. A interação fraca tem um alcance efetivo muito curto (cerca de 10 −17 a 10 −16  m). Em distâncias em torno de 10 −18 metros, a interação fraca tem uma intensidade de magnitude semelhante à força eletromagnética, mas esta começa a diminuir exponencialmente com o aumento da distância. Aumentada em apenas uma ordem e meia de magnitude, a distâncias de cerca de 3 × 10 −17  m, a interação fraca torna-se 10.000 vezes mais fraca.

A interação fraca afeta todos os férmions do modelo padrão , bem como o bóson de Higgs ; os neutrinos interagem apenas por meio da gravidade e da interação fraca. A interação fraca não produz estados ligados nem envolve energia de ligação - algo que a gravidade faz em uma escala astronômica , que a força eletromagnética faz no nível atômico e que a força nuclear forte faz dentro dos núcleos.

Seu efeito mais notável é devido à sua primeira característica única: a interação fraca carregada causa mudança de sabor . Por exemplo, um nêutron é mais pesado do que um próton (seu núcleo parceiro ) e pode decair em um próton mudando o sabor (tipo) de um de seus dois quarks down para um quark up . Nem a interação forte nem o eletromagnetismo permitem a mudança de sabor, então isso ocorre por decadência fraca ; sem decadência fraca, propriedades de quark como estranheza e charme (associadas aos quarks Strange e quarks charme, respectivamente) também seriam conservadas em todas as interações.

Todos os mésons são instáveis ​​devido à fraca deterioração. No processo conhecido como decaimento beta , um para baixo quark no neutrões pode transformar-se em uma até quark, emitindo um virtuais
C-
 bóson que é então convertido em um elétron e um antineutrino de elétron . Outro exemplo é a captura de elétrons , uma variante comum do decaimento radioativo , em que um próton e um elétron dentro de um átomo interagem e são alterados para um nêutron (um quark up é alterado para um quark down) e um neutrino de elétron é emitido.

Devido às grandes massas dos bósons W, as transformações ou decaimentos das partículas (por exemplo, mudança de sabor) que dependem da interação fraca normalmente ocorrem muito mais lentamente do que as transformações ou decaimentos que dependem apenas das forças fortes ou eletromagnéticas. Por exemplo, um píon neutro decai eletromagneticamente e, portanto, tem uma vida útil de apenas cerca de 10 a 16  segundos. Em contraste, um píon carregado só pode decair por meio da interação fraca e, portanto, vive cerca de 10-8  segundos, ou cem milhões de vezes mais do que um píon neutro. Um exemplo particularmente extremo é o decaimento da força fraca de um nêutron livre, que leva cerca de 15 minutos.

Isospin fraca e hipercarga fraca

Férmions para canhotos no modelo padrão
Geração 1 Geração 2 Geração 3
Fermion Símbolo
Isospin fraco
Fermion Símbolo
Isospin fraco
Fermion Símbolo
Isospin fraco
Neutrino de elétron
ν
e
++1/2 Neutrino de muon
ν
µ
++1/2 Neutrino tau
ν
τ
++1/2
Elétron
e-
-+1/2 Muon
µ-
-+1/2 Tau
τ-
-+1/2
Up quark
você
++1/2 Quark charme
c
++1/2 Quark superior
t
++1/2
Quark down
d
-+1/2 Quark estranho
s
-+1/2 Quark inferior
b
-+1/2
Todas as partículas canhotas ( regulares ) acima têm antipartículas
destras correspondentes com isospin fraca igual e oposta.
Todas as partículas destras (regulares) e antipartículas canhotas têm isospin fraca de 0.

Todas as partículas possuem uma propriedade chamada isospin fraca (símbolo T 3 ), que serve como um número quântico aditivo que restringe como a partícula pode se comportar na interação fraca. O isospin fraco desempenha o mesmo papel na interação fraca com
C±
como a carga elétrica no eletromagnetismo e a carga colorida na interação forte . Todos os férmions canhotos têm um valor de isospin fraco de ++1/2ou -+1/2; todos os férmions destros têm 0 isospin. Por exemplo, o quark up tem T 3 = + +1/2 e o quark down tem T 3 = - +1/2. Um quark nunca decai através da interação fraca em um quark do mesmo T 3 : Quarks com um T 3 de ++1/2apenas decai em quarks com um T 3 de -+1/2 e vice versa.


π+
decadência através da interação fraca

Em qualquer interação, a isospin fraca é conservada : a soma dos números isospin fraca das partículas que entram na interação é igual à soma dos números isospin fraca das partículas que saem dessa interação. Por exemplo, um (canhoto)
π+
,
com um isospin fraco de +1 normalmente decai em um
ν
µ
( com T 3 = + +1/2 ) e um
µ+
( como uma antipartícula destra, ++1/2) .

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

onde Y W é a hipercarga fraca de uma partícula com carga elétrica Q (em unidades de carga elementares ) e isospin T 3 fraca . A hipercarga fraca é o gerador do componente U (1) do grupo eletrofraco ; enquanto algumas partículas têm um isospin fraco de zero, todos os spin  conhecidos1/2as partículas têm uma hipercarga fraca diferente de zero.

Tipos de interação

Existem dois tipos de interação fraca (chamadas vértices ). O primeiro tipo é chamado de " interação de corrente carregada " porque os férmions de interação fraca formam uma corrente com carga elétrica total diferente de zero. O segundo tipo é chamado de " interação de corrente neutra " porque os férmions de interação fraca formam uma corrente com carga elétrica total zero. É responsável pela (rara) deflexão dos neutrinos . Os dois tipos de interação seguem regras de seleção diferentes . Esta convenção de nomenclatura é frequentemente mal interpretada para rotular a carga elétrica dos bósons W e Z , no entanto, a convenção de nomenclatura antecede o conceito dos bósons mediadores e claramente (pelo menos no nome) rotula a carga da corrente (formada a partir dos férmions), não os bósons.

Interação de corrente carregada

O diagrama de Feynman para o decaimento beta-menos de um nêutron em um anti-neutrino próton , elétron e elétron , através de um intermediário pesado
C-
 bóson

Em um tipo de interação de corrente carregada, um leptão carregado (como um elétron ou múon , tendo uma carga de -1) pode absorver um
C+
 bóson
(uma partícula com uma carga de +1) e ser assim convertido em um neutrino correspondente (com uma carga de 0), onde o tipo ("sabor") de neutrino (elétron, múon ou tau) é o mesmo que o tipo de leptão na interação, por exemplo:

Da mesma forma, um quark do tipo down ( d com uma carga de - 13 ) pode ser convertido em um quark do tipo up ( u , com uma carga de + 23 ), emitindo um
C-
 bóson ou absorvendo um
C+
 bóson. Mais precisamente, o quark do tipo down torna-se uma superposição quântica de quarks do tipo up: isto é, ele tem a possibilidade de se tornar qualquer um dos três quarks do tipo up, com as probabilidades fornecidas nas tabelas da matriz CKM . Por outro lado, um quark do tipo up pode emitir um
C+
 bóson, ou absorver um
C-
bóson e, assim, ser convertido em um quark do tipo down, por exemplo:

O bóson W é instável, portanto, decairá rapidamente, com uma vida útil muito curta. Por exemplo:

O decaimento de um bóson W para outros produtos pode ocorrer, com probabilidades variáveis.

No chamado decaimento beta de um nêutron (veja a imagem acima), um quark down dentro do nêutron emite um virtual
C-
bóson e, portanto, é convertido em um quark up, convertendo o nêutron em um próton. Por causa da energia limitada envolvida no processo (ou seja, a diferença de massa entre o quark down e o quark up), o virtual
C-
bóson só pode carregar energia suficiente para produzir um elétron e um elétron-antineutrino - as duas massas mais baixas possíveis entre seus produtos de decaimento em perspectiva. No nível do quark, o processo pode ser representado como:

Interação de corrente neutra

Nas interações de corrente neutra , um quark ou leptão (por exemplo, um elétron ou um múon ) emite ou absorve um bóson Z neutro . Por exemplo:

Como o
C±
 bósons, o
Z0
 bóson também decai rapidamente, por exemplo:

Ao contrário da interação de corrente carregada, cujas regras de seleção são estritamente limitadas por quiralidade, carga elétrica e / ou isospin fraca, a corrente neutra
Z0
a interação pode fazer com que quaisquer dois férmions no modelo padrão se desviem: ou partículas e antipartículas de qualquer carga elétrica, e quiralidade esquerda e direita, embora a intensidade da interação seja diferente.

A carga fraca do número quântico ( Q W ) desempenha o mesmo papel na interação da corrente neutra com o
Z0
que a carga elétrica ( Q , sem subscrito) faz na interação eletromagnética : ela quantifica a parte vetorial da interação. Seu valor é dado por:

Já o ângulo de mistura fraco a expressão entre parênteses com seu valor variando ligeiramente com a diferença de momento ( corrida ) entre as partículas envolvidas. Portanto

uma vez que, por convenção, e para todos os fermiones envolvidas na interacção fraca A carga fraco de leptones carregados é, em seguida, perto do zero, de forma que estes interagem principalmente através do acoplamento axial com a Z .

Teoria eletrofraca

O modelo padrão da física de partículas descreve a interação eletromagnética e a interação fraca como dois aspectos diferentes de uma única interação eletrofraca. Essa teoria foi desenvolvida por volta de 1968 por Sheldon Glashow , Abdus Salam e Steven Weinberg , e eles receberam o Prêmio Nobel de Física de 1979 por seu trabalho. O mecanismo de Higgs fornece uma explicação para a presença de três bósons de calibre massivos (
C+
,
C-
,
Z0
, os três portadores da interação fraca) e o fóton sem massa ( γ , o portador da interação eletromagnética).

De acordo com a teoria eletrofraca, em energias muito altas, o universo tem quatro componentes do campo de Higgs cujas interações são realizadas por quatro bósons de calibre sem massa - cada um semelhante ao fóton - formando um dupleto escalar de campo de Higgs complexo. Da mesma forma, existem quatro bósons eletrofracos sem massa. No entanto, em baixas energias, esta simetria de calibre é quebrada espontaneamente para a simetria U (1) do eletromagnetismo, uma vez que um dos campos de Higgs adquire um valor de expectativa de vácuo . Ingenuamente, seria esperado que a quebra de simetria produzisse três bósons sem massa , mas, em vez disso, esses três bósons de Higgs "extras" são incorporados aos três bósons fracos que então adquirem massa por meio do mecanismo de Higgs . Esses três bósons compostos são os
C+
,
C-
, e
Z0
 bósons da interação fraca. O quarto bóson de calibre eletrofraco é o fóton do eletromagnetismo, que não se acopla a nenhum dos campos de Higgs e permanece sem massa.

Esta teoria fez uma série de previsões, incluindo uma previsão das massas da
Z
e
C
 bósons antes de sua descoberta e detecção em 1983.

Em 4 de julho de 2012, as equipes experimentais do CMS e do ATLAS no Large Hadron Collider anunciaram independentemente que haviam confirmado a descoberta formal de um bóson de massa até então desconhecido entre 125 e 127 GeV / c 2 , cujo comportamento até agora era "consistente com "um bóson de Higgs, ao adicionar uma nota cautelosa de que mais dados e análises eram necessários antes de identificar positivamente o novo bóson como sendo um bóson de Higgs de algum tipo. Em 14 de março de 2013, um bóson de Higgs foi provisoriamente confirmado para existir.

Em um caso especulativo onde a escala de quebra de simetria eletrofraca foi reduzida, a interação SU (2) ininterrupta acabaria por se tornar confinante . Modelos alternativos onde SU (2) se torna confinante acima dessa escala aparecem quantitativamente semelhantes ao Modelo Padrão em energias mais baixas, mas dramaticamente diferentes acima da quebra de simetria.

Violação de simetria

Partículas canhotas e destras : p é o momento da partícula e S é seu spin . Observe a falta de simetria reflexiva entre os estados.

Por muito tempo pensou-se que as leis da natureza permaneceriam as mesmas sob o reflexo do espelho . Esperava-se que os resultados de um experimento visto através de um espelho fossem idênticos aos resultados de uma cópia refletida no espelho construída separadamente do aparato experimental observado através do espelho. Essa chamada lei de conservação da paridade era conhecida por ser respeitada pela gravitação clássica , pelo eletromagnetismo e pela interação forte ; foi considerada uma lei universal. No entanto, em meados da década de 1950, Chen-Ning Yang e Tsung-Dao Lee sugeriram que a interação fraca poderia violar essa lei. Chien Shiung Wu e colaboradores em 1957 descobriram que a interação fraca viola a paridade, ganhando a Yang e Lee o Prêmio Nobel de Física de 1957 .

Embora a interação fraca já tenha sido descrita pela teoria de Fermi , a descoberta da violação da paridade e a teoria da renormalização sugeriram que uma nova abordagem era necessária. Em 1957, Robert Marshak e George Sudarshan e, um pouco mais tarde, Richard Feynman e Murray Gell-Mann propuseram um Lagrangiano V - A ( vetor menos vetor axial ou canhoto) para interações fracas. Nesta teoria, a interação fraca atua apenas em partículas canhotas (e antipartículas destras). Como o reflexo no espelho de uma partícula canhota é destro, isso explica a violação máxima da paridade. A teoria V - A foi desenvolvida antes da descoberta do bóson Z, então não incluiu os campos destros que entram na interação de corrente neutra.

No entanto, esta teoria permitiu que uma simetria composta CP fosse conservada. CP combina paridade P (alternando da esquerda para a direita) com conjugação de carga C (alternando partículas com antipartículas). Os físicos ficaram novamente surpresos quando, em 1964, James Cronin e Val Fitch forneceram evidências claras nos decaimentos de Kaon de que a simetria do CP também poderia ser quebrada, ganhando-lhes o Prêmio Nobel de Física em 1980 . Em 1973, Makoto Kobayashi e Toshihide Maskawa mostraram que a violação de CP na interação fraca exigia mais de duas gerações de partículas, prevendo efetivamente a existência de uma então desconhecida terceira geração. Essa descoberta lhes rendeu metade do Prêmio Nobel de Física de 2008.

Ao contrário da violação de paridade, a violação de CP  ocorre apenas em raras circunstâncias. Apesar de sua ocorrência limitada nas condições atuais, acredita-se que seja a razão de haver muito mais matéria do que antimatéria no universo e, portanto, constitui uma das três condições de Andrei Sakharov para a bariogênese .

Veja também

Notas de rodapé

Referências

Citações

Leitores gerais

Texto:% s

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