¿Se ha medido alguna vez la fuerza débil como fuerza?

Question

Las fuerzas gravitacionales y electrostáticas son fenómenos cotidianos, y siguen siendo comprobados mediante sofisticados experimentos a diversas distancias.

Rutherford midió la repulsión electrostática de las partículas alfa de los núcleos.

A energías de incidencia más altas, cuando la energía del proyectil es suficiente para superar la repulsión electrostática y se pueden sondear distancias de unos pocos fermios, también aparece una fuerza nuclear atractiva en la distribución angular.

Pero, ¿se ha medido alguna vez la fuerza débil como fuerza ?

Entiendo que hay algunas sutilezas aquí, ya que en los sistemas de mecánica cuántica (como la dispersión nuclear, por ejemplo) utilizamos una forma potencial (nuclear más electrostática) e interpretamos la distribución angular propagando una onda incidente para obtener la distribución angular. Así que me pregunto si una desviación en un experimento de dispersión debida a la interacción débil sería lo suficientemente buena aunque sea difícil de interpretar como una fuerza estrictamente.

Relacionado con esto:

La fuerza débil: ¿atractiva o repulsiva?

¿Puede la fuerza débil crear un estado ligado?

Los cargos de las fuerzas

Answer 1

Si por "fuerza" se entiende un cambio de energía y momento, pero no el tipo o el número de partículas implicadas, entonces las corrientes neutras débiles serían la respuesta.

Estos fueron predichos por Salam, Glashow y Weinberg, y observados por el experimento Gargamelle en 1973. Allí se observó que una partícula comenzaba a moverse, tras interactuar con un neutrino (no observado).

La interacción allí está mediada por el intercambio de un bosón Z, que aunque es masivo, no tiene carga y es de espín 1, similar a un fotón.

Answer 2

Probablemente el ejemplo más claro de la fuerza débil actuando "como una fuerza" (donde "actuando como una fuerza" significa "produciendo una desviación mecánica en un experimento") es en la dispersión de neutrinos. Los neutrinos son eléctricamente neutros y no llevan carga de color, por lo que la desviación en un experimento de dispersión de neutrinos debe ser causada por la fuerza débil.

Otro ejemplo de que la fuerza débil actúa "como una fuerza" es el descubrimiento de la violación de la simetría de paridad en la fuerza débil por parte de Chien-Shiung Wu, como predijeron Chen-Ning Yang y Tsung-Dao Lee ( https://en.wikipedia.org/wiki/Wu_experiment ).

El experimento se refería a la desintegración de átomos de cobalto-60 cuyos espines nucleares se habían polarizado en un campo magnético. El proceso de desintegración beta produjo un átomo excitado de níquel-60 junto con un electrón y un antineutrino, y el átomo excitado de níquel-60 resultante sufrió inmediatamente una desintegración gamma para producir dos fotones. La desintegración gamma es un proceso puramente electromagnético, mientras que en la desintegración beta interviene la fuerza débil.

El experimento consiste en medir la distribución de los fotones gamma y los electrones beta dos veces: una con el campo magnético apuntando en una dirección y otra con el campo magnético invertido. Esto produjo polarizaciones de espín opuestas en los núcleos de cobalto-60, lo que equivale a reflejarlos en un espejo (es decir, actuar sobre ellos con una transformación de paridad). Se sabe que la fuerza electromagnética es simétrica a la paridad, lo que significa que la distribución de los rayos gamma debería ser la misma independientemente de la orientación del espín. En realidad, la presencia de un campo magnético elevado altera ligeramente este principio, por lo que también se midió la distribución de los rayos gamma. La comparación de las distribuciones de rayos gamma junto con las distribuciones de electrones beta permitió a los investigadores controlar los efectos no relacionados con la paridad de la inversión del campo magnético ambiental; si las distribuciones beta y gamma se comportan de la misma manera bajo la inversión del campo, entonces la fuerza débil sería simétrica a la paridad. Si no, entonces la fuerza débil sería única en su poder de violar la simetría de paridad.

Resultó que la distribución de electrones beta, tras restar los efectos de la distribución de rayos gamma, mostraba una fuerte diferencia entre las dos situaciones. La mayoría de los electrones beta se detectaron en la dirección opuesta al espín; cuando el espín se invirtió, también lo hizo la distribución de electrones beta. Así, se descubrió que la fuerza débil viola la simetría de paridad.

Resumiendo, la fuerza débil actuó aquí "como una fuerza" porque desvió las trayectorias de los electrones en la dirección opuesta al giro.

Answer 3

arriba: Desde Scientific American , Juan Collar, profesor de física de la Universidad de Chicago, con un prototipo del detector de neutrinos más pequeño del mundo utilizado para observar por primera vez una elusiva interacción conocida como dispersión elástica coherente de neutrinos en el núcleo. Crédito: Jean Lachat / Universidad de Chicago

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Me gustaría añadir a esta excelente y concisa respuesta describiendo el Experimento Gargamelle (ver también CERN ) los primeros resultados reportados en 1973; la primera observación de la dispersión elástica debido a la "fuerza débil". En sesenta símbolos :

El descubrimiento consistió en la búsqueda a partir de dos tipos de eventos: en uno se produjo la interacción de un neutrino con un electrón en el líquido; en el otro el neutrino se dispersó desde un hadrón (protón o neutrón). La firma de un evento de corriente neutra era un vértice aislado del que sólo se producían hadrones. En julio de 1973 se habían confirmado hasta 166 sucesos hadrónicos y uno de electrones. En ambos casos, el neutrino entra de forma invisible, interactúa y luego se desplaza, de nuevo de forma invisible. El 3 de septiembre, la colaboración publicó dos artículos sobre estos sucesos en el mismo número de Physics Letters.

El artículo indica además el tamaño del detector:

Gargamelle tenía 4,8 metros de longitud y 2 metros de diámetro. Pesaba 1000 toneladas y contenía casi 12 metros cúbicos de freón líquido pesado (CF3Br) . (énfasis añadido)

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Desde que publiqué la pregunta, se han publicado algunos resultados nuevos y notables. Del artículo de Scientific American titulado Se detectan por primera vez neutrinos que rebotan en los núcleos; una nueva tecnología para detectar neutrinos representa un avance "monumental" para la ciencia :

Esa rareza ha hecho la vida imposible a los físicos, que recurren a la construcción de enormes tanques detectores subterráneos para tener la oportunidad de atrapar el neutrino impar. Pero en un estudio publicado hoy en Science, los investigadores que trabajan en el Laboratorio Nacional de Oak Ridge (ORNL) han detectado interacciones de neutrinos nunca antes vistas utilizando un detector del tamaño de un extintor . [...] La nueva colaboración experimental, conocida como COHERENT, busca en cambio un fenómeno llamado CEvNS (pronunciado "sietes"), o dispersión elástica coherente de neutrinos y núcleos. (énfasis añadido)

Del recientemente publicado y ¡acceso abierto! artículo en Science Observación de la dispersión elástica coherente del neutrino-núcleo (D. Akimov et al. Science 03 Ago 2017:eaao0990, DOI: 10.1126/science.aao0990):

[...] Poco después se propuso que este mecanismo también conducir a interacciones coherentes entre los neutrinos y todos los nucleones presentes en un núcleo atómico (2). Esta posibilidad existiría sólo mientras el momento intercambiado permaneciera significativamente menor que la inversa del tamaño nuclear (Fig. 1A), restringiendo efectivamente el proceso a energías de neutrinos inferiores a unas decenas de MeV. La mejora del probabilidad de interacción (sección transversal de dispersión) sería sin embargo, sería muy grande en comparación con las interacciones con con nucleones aislados, aproximadamente escalando con el cuadrado del el número de neutrones en el núcleo (2, 3). Para los núcleos pesados y fuentes de neutrinos suficientemente intensas, esto puede conducir a una reducción drástica de la masa del detector, hasta unos pocos kilogramos .

Para simplificar, los neutrinos de baja energía (decenas de MeV) producidos por la desintegración de los piones, que son a su vez un biproducto de las colisiones protón-núcleo de GeV, son detectados por un bloque de sal (muy puro, cuidadosamente formulado) como destellos de luz con varias características específicas. El radio de un núcleo es aproximadamente 1,3 femtómetros por $A^{1/3}$ Así que un núcleo de Cesio o de Yodo va a ser de unos 13 fm. Para una fuerte dispersión coherente de todos los nucleones, la longitud de onda debería ser al menos el doble. El momento correspondiente debe ser inferior a 46 MeV/c, y convenientemente la energía de desintegración de $\pi^{+,-} \rightarrow \mu^{+,-}$ es de unos 34 MeV, produciendo un continuo de energías de neutrinos por debajo de ese valor. Las desintegraciones de piones produjeron una señal de neutrinos rápida, mientras que la desintegración de muones produjo una fuente secundaria retardada de neutrinos a energías más altas. Ambas cosas pueden verse en los datos.

Uno de los principales retos del experimento era proteger el detector del fortísimo flujo de neutrones procedente de la fuente de espalación, y distinguir el dispersión elástica de neutrinos de muy baja energía de todas las demás señales de centelleo producidas en el detector

Los resultados se resumen en el resumen:

La dispersión elástica coherente de los neutrinos en los núcleos ha eludido su detección durante cuatro décadas, a pesar de que su sección transversal prevista es la mayor, con diferencia, de todos los acoplamientos de neutrinos de baja energía. Este modo de interacción ofrece nuevas oportunidades para estudiar las propiedades de los neutrinos y conduce a una miniaturización del tamaño de los detectores, con potenciales aplicaciones tecnológicas. Observamos este proceso con un nivel de confianza de 6,7 sigmas, utilizando un centelleador de 14,6 kg de CsI[Na] de bajo fondo expuesto a las emisiones de neutrinos de la Fuente de Neutrones por Espalación (SNS) del Laboratorio Nacional de Oak Ridge . Las firmas características en energía y tiempo, predichas por el Modelo Estándar para este proceso, se observan en condiciones de alta relación señal/fondo. A partir de este conjunto de datos iniciales se obtienen mejores restricciones sobre las interacciones de los neutrinos no estándar con los quarks. (énfasis añadido)