¿Qué hace exactamente la fuerza débil?

Question

Sé que el fuerza débil actúa sobre los núcleos y provoca la desintegración.

Pero, ¿qué hace exactamente la fuerza débil? O dicho de otro modo, ¿por qué la llamamos fuerza? ¿Empuja la partícula roja de la imagen lejos del núcleo? ¿Se llama fuerza sólo porque tiene algunas partículas de fuerza correspondientes? Y si es una fuerza, ¿sobre qué actúa?

Miré hacia ' Fuerza débil: ¿atractiva o repulsiva?". . Es una gran respuesta sobre cómo funcionan las cargas débiles y qué tipos de cargas débiles hay. Pero, lo que no responde es si es una fuerza o no. Eso es lo que quiero saber, ¿por qué lo incluimos en los cuatro fundamentales fuerzas ?

Answer 1

La fuerza débil es una de las fuerzas fundamentales, pero no tiene un fuerte efecto de atracción o repulsión sobre las partículas, por lo que a menudo se prefiere el término "interacción débil". Para más detalles sobre las atracciones y repulsiones asociadas a la interacción débil, véase esta respuesta por Alfred Centauri.

Todos los fermiones fundamentales (es decir, los quarks y los leptones) están sometidos a la interacción débil. En cambio, la fuerza fuerte sólo afecta a los quarks, no a los leptones.

La interacción débil cambia el sabor de los quarks y los leptones. Actúa sobre las partículas hipercarga débil que es un componente de isospín débil .

A continuación se muestran algunos diagramas de Feynman, cortesía de Wikipedia que ilustran una interacción débil típica: la captura de un electrón por un protón. La interacción débil cambia el sabor de un quark del protón de arriba a abajo y convierte el electrón en un neutrino electrónico. Este proceso está mediado por un $W$ bosón.

Un diagrama muy similar ilustra la $\beta^-$ desintegración de un neutrón libre en un protón, un electrón y un antineutrino.

Por cierto, la masa total de los productos de desintegración es menor que la masa del neutrón, pero la energía se conserva porque los productos de desintegración tienen energía cinética.

Además de los imputados $W^+$ y $W^-$ bosones, hay otro bosón débil, el no cargado $Z$ bosón. El $W^+$ es la antipartícula del $W^-$ El $Z$ es su propia antipartícula.

En Wikipedia :

En $Z$ media la transferencia de momento, espín y energía cuando los neutrinos se dispersan elásticamente desde la materia (un proceso que conserva la carga). [...] El $Z$ bosón es no que intervienen en la absorción o emisión de electrones o positrones.

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Debo mencionar que a muy alta energía, la interacción débil y la fuerza electromagnética se unen en la interacción electrodébil :

Aunque estas dos fuerzas parecen muy diferentes a bajas energías cotidianas, la teoría las modela como dos aspectos diferentes de la misma fuerza. Por encima de la energía de unificación, del orden de 246 GeV, se fusionarían en una sola fuerza. Así, si el universo es lo suficientemente caliente (aproximadamente $10^{15}$ K, una temperatura no superada desde poco después del Big Bang), entonces la fuerza electromagnética y la fuerza débil se fusionan en una fuerza electrodébil combinada. Durante la época de los quarks, la fuerza electrodébil se dividió en fuerza electromagnética y fuerza débil.

Answer 2

Algunos antecedentes

Como parece que no estás muy familiarizado con las matemáticas de la mecánica cuántica (y créeme, yo tampoco), quizá pueda acercar tu curiosidad a una comprensión más intuitiva de lo que es la fuerza débil. Puede que no sea una respuesta completa, pero mis pensamientos son demasiado extensos para caber en un comentario.

Como ha señalado Stéphane Rollandin, puede ser más intuitivo pensar en el débil fuerza como una colección de interacciones . De ahí la nomenclatura de Wikipedia para la fuerza débil como una de las "Interacciones fundamentales". Dicho esto, a medida que la física ha progresado en la noción de que las fuerzas son sinónimos de campos (pensemos en el campo gravitatorio o el electromagnético), se ha producido un desarrollo en la comprensión de que estas fuerzas son sinónimos de campos. campos son todas resultantes de la "fuerza portadora" bosones . Estos son los cuántico o "unidades" del campo. Es decir, las partículas que transmiten la información de "empuje" o "atracción" asociada a las fuerzas.

Para simplificar demasiado: dondequiera que haya un bosón, hay un conjunto de interacciones con dicho bosón (y otras partículas) en las que las partículas se combinan y decaen y transmiten información, etc... Todas esas interacciones inevitablemente hacen lo que parece empujar o tirar cuando se ve desde lejos. De ahí, la noción de fuerza es en realidad el biproducto de todo el movimiento que se produce a partir de esas interacciones.

Seguro que en tu fascinación te has encontrado con dos partículas muy relacionadas, anotadas $W^\pm$ y $Z^0$ . Dado que éstos se ajustan al parámetro de ser bosones, esto implica que llevan a cabo un montón de interacciones, y mucho que ver con los quarks. Estas interacciones son relativamente débiles en comparación con otras, por lo tanto (damas, y caballeros), la fuerza débil .

Pasemos ahora a sus preguntas

¿Se llama fuerza sólo porque tiene unas partículas de fuerza correspondientes?

Como se detalla en los últimos párrafos, técnicamente sí . Tiene razón con esa perspectiva. Eso sí, hay muchas perspectivas e interpretaciones sobre lo que realmente son (y no son) las fuerzas.

¿por qué la llamamos fuerza?

Ya que he mencionado que una interpretación más moderna de las fuerzas fundamentales es considerarlas como interacciones, una pregunta más general sería ¿por qué se consideran estas interacciones como fuerzas? En cinemática básica, una fuerza (según mi definición) es simplemente un ejercicio de energía que, cuando no se ve impedido, dará lugar a una aceleración cinética. Por tanto, estas interacciones son parecidas a fuerzas porque los procesos energéticos dejan algún residuo de energía cinética en las partículas que interactúan. Cuando se producen muchas de estas interacciones, la energía cinética se acumula, dando lugar a la aceleración cinética de una parte del sistema.

Pero, ¿qué hace exactamente la fuerza débil?

Como ejemplo, una de las principales áreas de las interacciones débiles es la capacidad de los quarks de cambiar de sabor emitiendo un $W$ bosón, que es sólo uno de los tipos de interacciones que ocurren todo el tiempo (mostradas en rojo en el siguiente gif).

Para el caso del neutrón, en determinados escenarios ese bosón emitido se dividirá en un par electrón/antinuetrino (otro tipo de interacción débil). Ese escenario es la desintegración beta. El neutrón se ha desintegrado en un protón (porque uno de sus quarks ha cambiado de sabor), y en un electrón/antineutrino (desde el punto de vista de la interacción débil). $W$ emitido por el quark que cambia de sabor).

En cuanto a por qué las interacciones débiles a menudo "expulsan" partículas de un núcleo (teniendo en cuenta tu diagrama), mi mejor respuesta (inculta) es que simplemente es la dirección favorable para que se acumule la energía cinética residual de las interacciones débiles. Lo más probable es que se deba a la geometría y simetría del núcleo. Dado que el núcleo es aproximadamente esféricamente simétrico, la única dirección en la que pueden ir las partículas desintegradas es "hacia fuera".

Como nota final, mi formación es en matemáticas teóricas, así que cruzo los dedos para que cualquier cosa que haya pasado por alto sea corregida en los comentarios por aquellos con más inclinaciones físicas.

Answer 3

Estoy viendo la fuerza débil desde un ángulo diferente.

Empecemos por ver un ejemplo de la interacción fuerte en acción, tal y como se describe en la imagen moderna del Modelo Estándar, donde los quarks y los leptones se consideran elementales (imagen de la izquierda). En este ejemplo concreto, consideramos un protón y un neutrón que se convierten en un neutrón y un protón.

En los años treinta del siglo pasado, protones y neutrones (y electrones) se consideraban fundamentales (imagen de la derecha), y Yukawa había desarrollado una teoría que describía esta interacción mediante un intercambio de masas ( $E\approx{100}\frac{MeV}{c^2}$ ), partículas de espín 0 a las que llamó mesones. Cuando en 1935 se descubrió el muón (que tenía una masa $E=106\frac{MeV}{c^2}$ ) se pensó que se trataba del mesón implicado en la fuerza fuerte, pero el muón resultó no estar implicado en la fuerza fuerte. El pión (como se llamaba el mesón) fue descubierto en 1947 y resultó estar dotado de una carga eléctrica -1, 0 o +1 y tiene una masa de aproximadamente $140\frac{Mev}{c^2}$ . Más tarde, cuando se estableció la existencia de los quarks, la fuerza mediada por los piones se consideró una fuerza residual que mantenía unidos a los protones y neutrones de un núcleo atómico. Esta fuerza residual es pequeña en comparación con la fuerza de color fuerte entre los quarks y reorganiza el contenido de quarks en el protón y el neutrón.

¿Por qué cuento todo esto? Bueno, al principio se consideraba que los protones, neutrones y electrones (y muones) eran fundamentales. Después, con el paso del tiempo, los protones, los neutrones, en resumen, la plétora de hadrones (mesones y bariones), se consideraron partículas no fundamentales, sino compuestas de quarks.

Y podemos ir un paso más allá. Los quarks y los leptones pueden considerarse un compuesto. En el Modelo de Rishon, sólo hay dos (cuatro si se incluyen sus antipartículas) fermiones verdaderamente elementales (¡más económico no puede ser!):
El T-rishon, con una unidad de carga eléctrica de $\frac{1}{3}$ una unidad de carga de color y una unidad de carga de hipercolor.
El V-rishon, con carga eléctrica cero, una unidad de carga anticolor y una unidad de carga hipercolor.
Los mediadores de fuerza asociados son el fotón, el gluón y el hipergluón (todos de largo alcance).

El quark descendente $d$ : $\overline T \overline V \overline V$
El up-quark $u$ : $TTV$
El electrón $e$ : $\overline T \overline T \overline T$
El (electrón)neutrino $\nu_e$ : $VVV$

Todas las familias de quarks y leptones:

pueden considerarse excitaciones de estas partículas compuestas.
Obsérvese que los quarks obtienen su color porque los rishones T y V poseen unidades de carga de color opuestas. Todos los quarks y fermiones son incoloros en lo que respecta a la carga de hipercolor (al igual que todas las combinaciones de tres o dos quarks son incoloras). No voy a entrar en más detalles sobre los méritos (y dificultades) del modelo, pero quiero que veas esta imagen:

Esto puede compararse con la imagen superior derecha (Fig:34). Ahora la $\pi^+$ tiene como contenido rishon:
$TTVTVV$ el quark u y el anti-quark down. Ahora bien, si cerca un par muón-anti-muón ( $TTT\overline T\overline T\overline T$ expresado en rishones) y un neutrino muón-neutrino-antimuón ( $VVV\overline V\overline V\overline V$ expresado en rishones), los rishones en el $\pi^+$ se aniquilará con los antirishones de ambos pares, dejando $TTTVVV$ (el $W^+$ ), que avanza alegremente como $\mu^+$ ( $TTT$ ) y su acompañamiento $\nu_{\mu}$ ( $VVV$ ).

Así pues, a la luz del Modelo de Rishón, la interacción débil no es ninguna fuerza (como lo es la fuerza débil residual de la fuerza fuerte entre protones y neutrones), sino un residuo de la compositividad (por tanto, no de una fuerza) que sólo reordena el contenido de rishones de las partículas en una interacción. El número de rishones V-, T-, anti-V- y anti-T debe ser, por supuesto, el mismo en ambos lados de la interacción. En este caso, a $TTV$ y $TVV$ se reordenan en un $TTT$ y $VVV$ como un $uud$ y $udd$ se reordenan en un $udd$ y $uud$ en la primera imagen (donde, sin embargo, hay una fuerza presente).

Answer 4

Al igual que en QED y QCD, los portadores de la fuerza débil son bosones que pueden ser emitidos y absorbidos por la materia materia. Son los W+ cargados eléctricamente y W- y el eléctricamente neutro Z0 . Existen muchas propiedades que distinguen la fuerza débil de las fuerzas electromagnética y fuerte. que es la única que puede mediar en la desintegración de las partículas fundamentales. Al igual que la fuerza fuerte, la teoría de la fuerza débil apareció por primera vez en la década de 1930 como una teoría muy diferente.

Carga débil

En el caso de QED y QCD, las partículas llevaban las cargas asociadas que podían emitir o absorber los portadores de fuerza. La QED tiene un tipo de carga (más su opuesta, o carga conjugada), que llevan todas las partículas fundamentales excepto los neutrinos. En la QCD, hay tres tipos de carga de color (y sus conjugadas) que sólo llevan los quarks. Por lo tanto, sólo los quarks intercambian gluones. En el caso de la En el caso de la fuerza débil, todas las partículas de materia interactúan con las partículas W y Z y, por tanto, pueden intercambiarlas. ¿qué es exactamente la carga débil?

Una característica importante de la carga electromagnética es que se conserva. Esto significa que, para cualquier proceso físico, la cantidad total de carga positiva menos la cantidad total de carga negativa en cualquier sistema nunca cambia, suponiendo que ninguna carga entra o sale del sistema. Por lo tanto, la carga negativa pueden aniquilarse mutuamente, o crearse en pares, pero una carga positiva sola nunca puede ser destruida. De forma similar para la fuerza fuerte, la cantidad total de carga de color menos la carga total anticolor carga normalmente permanece igual, hay una sutileza. En principio, la carga de color también puede aniquilarse de tres en tres, excepto por el hecho de que el número de bariones -el número de bariones como protones y neutrones- se conserva también se conserva casi exactamente. Esto hace que la desaparición del color sea tan rara que nunca se ha visto. De este modo, la carga débil no existe: no hay ninguna cantidad que se conserve asociada a la fuerza débil como ocurre con las otras dos. Existe una estrecha relación entre las cantidades conservadas y las simetrías. Por lo tanto, el hecho de que no haya carga conservada para la fuerza débil sugiere de nuevo la existencia de una simetría rota. simetría rota.