¿La fuerza débil tiene una fuerza atractiva / repulsiva observable en la vida cotidiana como las otras fuerzas?

Question

Después de los comentarios correctos, esta pregunta no está aquí para comparar las energías y amplitudes de las fuerzas de largo alcance de gravedad y electromagnetismo con las amplitudes de dispersión microscópicas de tales fuerzas como la débil y la fuerte. Básicamente estoy tratando de averiguar si hay algún efecto observable en la vida cotidiana de la fuerza débil. De las respuestas, es obvio que la fuerza débil también puede ser atractiva o repulsiva. Solo estoy tratando de averiguar si hay un efecto observable de esto (para la fuerza débil) que podamos ver de alguna manera en la vida diaria. Tal vez no sea obvio, tal vez lo veamos, lo experimentamos todos los días, simplemente no lo sabemos (que es por causa de la fuerza débil) hasta que se explique en detalle (como la fuerza fuerte).

Tal vez mi pregunta se pueda formular de manera simple, 1. ¿puede la fuerza débil jalar/empezar (atr/rep) partículas? 2. ¿empuja/jala (atr/rep) partículas en la vida cotidiana de forma observable o es solo algo raro, como la descomposición? ¿Sostiene algo (partículas) juntas o las mantiene separadas en la materia cotidiana en la que vivimos/alrededor de la cual vivimos?

He leído estas preguntas:

Fuerza débil: ¿atractiva o repulsiva?

¿Las interacciones fuertes y débiles tienen campos de fuerza clásicos como sus límites?

¿La fuerza débil alguna vez se ha medido como una fuerza?

Tal como se conoce actualmente,

1. La fuerza electromagnética es mediada por fotones virtuales y puede ser atractiva o repulsiva, y en la vida cotidiana es fácilmente observable, solo sostén un imán. Puedes ver lo mismo con la electricidad. Luego está el enlace covalente que forma moléculas a partir de átomos. También es observable que la fuerza electromagnética es más fuerte a corta distancia que la gravedad

2. la gravedad, simplemente suelta algo, y verás que siempre es atractiva, hay efectos observables obviamente en la vida diaria, y es observable que la gravedad a corta distancia es más débil que la fuerza electromagnética o la fuerza fuerte

3. incluso la fuerza fuerte, que mantiene a los quarks confinados, dentro de un nucleón, un neutrón o un protón, y la fuerza fuerte residual que mantiene a neutrones y protones dentro de un núcleo, tiene un efecto observable en la vida cotidiana, ya que sin ella, los núcleos no existirían, se desintegrarían. Es atractiva a ciertas distancias (entre 0.8 fm y 2.5 fm), pero se vuelve repulsiva a distancias cortas (menos de 0.7 fm), y eso se asegura de que los neutrones y protones no se acerquen demasiado. Este efecto, aunque no es comúnmente conocido, es responsable en parte de dar volumen a los materiales. También es observable que la fuerza fuerte es más fuerte que la gravedad y la fuerza electromagnética en la escala corta.

Pero ¿qué pasa con la fuerza débil? Sé que puede ser repulsiva o atractiva, mira aquí:

Fuerza débil: ¿atractiva o repulsiva?

Entonces:

Para el isoespín débil, hay dos cargas de isoespín (o sabores), arriba y abajo, y sus anti-cargas asociadas, anti-arriba y anti-abajo.

arriba repele arriba (anti-arriba repele anti-arriba)
abajo repele abajo (anti-abajo repele anti-abajo)
arriba atrae abajo (anti-arriba atrae anti-abajo)
arriba atrae anti-arriba (abajo atrae anti-abajo)
arriba repele anti-abajo (abajo repele anti-arriba)

Para la hiper Carga débil, hay un solo tipo de carga y su anti-carga asociada.

la hiper Carga repele la hiper Carga (la anti-hiper Carga repele la anti-hiper Carga)
la hiper Carga atrae la anti-hiper Carga

Nota que la carga eléctrica es una cierta mezcla de isoespín débil y de hiper Carga débil.

OK, sé que la fuerza débil puede ser atractiva o repulsiva. Pero las respuestas también dicen que la fuerza débil o fuerte no tiene una teoría de campo clásica. Aun así, la fuerza fuerte tiene efectos atractivos o repulsivos observables (en la vida cotidiana).

Pregunta:

1. Pero ¿qué pasa con la fuerza débil, hay efectos que son observables en la vida cotidiana donde la fuerza débil es atractiva o repulsiva?

Answer 1

¿En la vida cotidiana? ¿Como en tu cocina? No. O si es así, definitivamente no de la forma en que estás pensando.

Si insistes en pensar en las interacciones fundamentales en términos de atracción y repulsión, una forma de hacerlo es describir todas en términos de la energía potencial de Yukawa,

$$ U = \pm \alpha \frac{\hbar c}{r} e^{-r/r_0} $$

donde el signo proviene de los signos relativos de las cargas involucradas y distingue los potenciales atractivos de los repulsivos, la constante de acoplamiento $\alpha$ está determinada experimentalmente, y el parámetro de rango

$$ r_0 = \frac{\hbar c}{mc^2} $$

depende de la masa $m$ del campo que media la interacción. Para la gravedad, el electromagnetismo y la fuerza de color QCD, este campo (gravitón, fotón, gluón) es sin masa, por lo que esas fuerzas en principio tienen un rango infinito. Sin embargo, en el caso fuerte, la constante de acoplamiento $\alpha$ es tan grande que los intercambios de multi-gluón son más importantes que los intercambios de gluón solitario. Esto significa que las cargas de color efectivamente no pueden separarse unas de otras, lo que se conoce como "confinamiento de color". A energías bajas y distancias largas, la interacción fuerte efectiva está mediada por un espectro de campos mesónicos masivos, cuyos potenciales de Yukawa propios conspiran para dar a los núcleos la estructura que tienen. Una fuerza atractiva, mediada por piones, actúa entre nucleones que están separados por unos pocos femtómetros, pero una fuerza repulsiva, mediada por mesones más pesados, hace que sea costoso para los nucleones acercarse más de aproximadamente un femtómetro.

Para la interacción débil, los bosones de corriente cargada y neutral tienen masas de casi $100\,\mathrm{GeV}/c^2$. Eso es tres órdenes de magnitud más grande que la masa del pión $140\,\mathrm{MeV}/c^2$, que es lo que principalmente define el tamaño de un nucleón. Por lo tanto, para que los nucleones sientan atracción o repulsión debido a la fuerza débil, tendrían que estar sustancialmente "superpuestos" de una manera que está prohibida por la repulsión de núcleo duro de la fuerza fuerte residual. Los efectos de la fuerza fuerte son mucho mayores que los efectos de la fuerza débil --- parcialmente porque las constantes de acoplamiento son diferentes, pero parcialmente porque la fuerza fuerte evita que las partículas se acerquen lo suficiente como para que la fuerza débil pueda afectarlas directamente.

Esta misma característica que hace que la fuerza débil sea principalmente irrelevante en los núcleos (y más aún en los sistemas unidos electromagnéticamente, donde las escalas de longitud son más largas que en los núcleos, y aún más en los sistemas gravitacionalmente unidos aún mayores) también dificulta la medición de la interacción débil. De hecho, las mediciones de la interacción débil serían imposibles en sistemas de fuerte interacción si las interacciones fuerte y débil tuvieran el mismo conjunto de simetrías, y estaríamos limitados a esperar pacientemente las descomposiciones débiles. Sin embargo, podemos aprovechar el hecho de que la interacción débil es la única de las fuerzas fundamentales que cambia bajo reflexión en espejo.

Si hay una forma en que la interacción débil afecta la vida en tu cocina, es porque la interacción débil viola la paridad y las otras interacciones fundamentales no lo hacen. La hipótesis de Vester-Ulbricht sugiere una forma en que la violación de paridad pudo haber sido importante históricamente. Pero es una situación mucho más sutil que "X se siente atraído por Y", porque en concursos de atracción y repulsión, la interacción débil siempre pierde ante el electromagnetismo y la fuerza fuerte.

Answer 2

La constante de Fermi $G_F$ que caracteriza las interacciones débiles es la mitad del cuadrado de $10^{-18}$ m, por lo tanto, una distancia característica mucho más corta que el tamaño de los núcleos o cualquier partícula compuesta.

Por eso las interacciones débiles pueden ayudar con la descomposición microscópica y las propiedades de mutación de especies de partículas, pero apenas pueden dar lugar a efectos macroscópicos colectivos y coherentes.

N.B. Aparte. La fuerza fuerte no es tan diferente en este aspecto: Aunque su rango es aproximadamente mil veces más largo que el de las interacciones débiles, del orden de los fermis, tampoco tiene consecuencias macroscópicas cotidianas no inherentes a la estructura nuclear.

Answer 3

¿Vida cotidiana? Quizás si eres un estudiante graduado y vives en el laboratorio.

Esto proviene de las Conferencias de Feynman, 52-2. Feynman está hablando sobre simetría y cómo describir izquierda y derecha a un marciano. No podemos mostrar un ejemplo. Debemos usar palabras.

Usando un imán muy fuerte a una temperatura muy baja, resulta que un cierto isótopo de cobalto, que se desintegra emitiendo un electrón, es magnético, y si la temperatura es lo suficientemente baja para que las oscilaciones térmicas no muevan demasiado los imanes atómicos, estos se alinean en el campo magnético. Así que los átomos de cobalto se alinearán todos en este campo fuerte. Luego se desintegran, emitiendo un electrón, y se descubrió que cuando los átomos estaban alineados en un campo cuyo vector B apunta hacia arriba, la mayoría de los electrones se emitían en dirección hacia abajo.

En resumen, podemos decirle a un marciano dónde poner el corazón: le decimos, "Escucha, constrúyete un imán, coloca las bobinas, y pon la corriente, y luego toma algo de cobalto y baja la temperatura. Organiza el experimento para que los electrones vayan desde el pie hasta la cabeza, entonces la dirección en la que la corriente atraviesa las bobinas es la dirección que entra en lo que llamamos la derecha y sale en la izquierda." Así que es posible definir derecha e izquierda, ahora, al hacer un experimento de este tipo.]1

Aquí hay más sobre las simetrías de CP y CPT detrás de esto. Inversión de tiempo y simetría CPT (III)

Answer 4

Estoy en desacuerdo con el punto tres parcialmente. Es cierto que mantienen unidos los núcleos, sin embargo, no se puede decir que sea un fenómeno diario. Bajo los mismos argumentos podrías hablar sobre la desintegración beta para la fuerza débil, pero aún así no los consideraría como efectos de la vida diaria. Además, el volumen no es una propiedad asociada a la fuerza fuerte. En términos de escalas, la fuerza electromagnética producida es la más relevante a escalas diarias en ese aspecto. En otras palabras, el hecho de que no atravieses la materia y ocupe un volumen es principalmente electromagnético.

En resumen, el mejor argumento que puedo darte tiene que ver con los bosones de calibre involucrados. Puedes clasificar las fuerzas en dos, de largo rango y de corto rango. Las primeras disminuyen polinomialmente con la distancia, mientras que las segundas disminuyen exponencialmente con la distancia. Esto tiene que ver con la masa del bosón de calibre que comunica dicha fuerza. La gravedad, el electromagnetismo y la fuerza nuclear fuerte son mediadas por gravitones, fotones y gluones respectivamente, todos los cuales son sin masa y corresponden a fuerzas de largo alcance. Mientras que la fuerza débil es mediada por $W^{\pm},Z$ que son masivos y, por lo tanto, esto conduce a que tenga un rango proporcional a $e^{-1/m_{Z,W^{\pm}}}$ lo que explica la diferencia en órdenes de magnitud en la distancia en la que es relevante.

Answer 5

Si no existiera la interacción débil, la composición isotópica de muchos elementos sería dramáticamente diferente: habría muchas más átomos con más neutrones. Estoy seguro de que eso afectaría nuestra vida cotidiana, pero no puedo proporcionar más detalles en este momento.

Un ejemplo de uso de la interacción débil en la vida cotidiana (aunque puedas no estar de acuerdo) es la tomografía por emisión de positrones (https://es.wikipedia.org/wiki/Tomografía_por_emisión_de_positrones)