¿Qué es la fuerza débil en física?

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¿Qué es la fuerza débil en física?
¿Qué es la fuerza débil en física?
Anonim

La fuerza débil es una de las cuatro fuerzas fundamentales que gobiernan toda la materia del universo. Los otros tres son la gravedad, el electromagnetismo y la fuerza fuerte. Mientras que otras fuerzas mantienen unidas las cosas, una fuerza débil juega un papel importante en descomponerlas.

La fuerza débil es más fuerte que la gravedad, pero solo es efectiva a distancias muy pequeñas. La Fuerza opera a nivel subatómico y juega un papel fundamental en el suministro de energía a las estrellas y la creación de los elementos. También es responsable de la mayor parte de la radiación natural del universo.

Teoría de Fermi

El físico italiano Enrico Fermi desarrolló una teoría en 1933 para explicar la desintegración beta, el proceso de convertir un neutrón en un protón y expulsar un electrón, a menudo denominado en este contexto partícula beta. Identificó un nuevo tipo de fuerza, la llamada fuerza débil, que era responsable del decaimiento, el proceso fundamental de la transformación de un neutrón en un protón, un neutrino y un electrón, que luego se identificó como antineutrino.

Fermi originalmenteasumió que había cero distancia y adhesión. Las dos partículas tenían que estar en contacto para que la fuerza funcionara. Desde entonces se ha revelado que la fuerza débil es en realidad una fuerza de atracción que se manifiesta en una distancia extremadamente corta, igual al 0,1 % del diámetro de un protón.

interacción débil se manifiesta en el decaimiento
interacción débil se manifiesta en el decaimiento

Fuerza electrodébil

En las desintegraciones radiactivas, la fuerza débil es aproximadamente 100.000 veces menor que la fuerza electromagnética. Sin embargo, ahora se sabe que es intrínsecamente igual a la electromagnética, y se cree que estos dos fenómenos aparentemente distintos son manifestaciones de una sola fuerza electrodébil. Esto se confirma por el hecho de que se combinan a energías superiores a 100 GeV.

A veces se dice que la interacción débil se manifiesta en la descomposición de las moléculas. Sin embargo, las fuerzas intermoleculares son de naturaleza electrostática. Fueron descubiertas por van der Waals y llevan su nombre.

la interacción débil se manifiesta en la descomposición de las moléculas
la interacción débil se manifiesta en la descomposición de las moléculas

Modelo estándar

La interacción débil en física es parte del modelo estándar: la teoría de las partículas elementales, que describe la estructura fundamental de la materia mediante un conjunto de ecuaciones elegantes. Según este modelo, las partículas elementales, es decir, aquello que no se puede dividir en partes más pequeñas, son los componentes básicos del universo.

Una de estas partículas es el quark. Los científicos no asumen la existencia de nada menos, pero siguen buscando. Hay 6 tipos o variedades de quarks. Vamos a ponerlos en ordenaumento de masa:

  • arriba;
  • inferior;
  • raro;
  • encantado;
  • adorable;
  • verdadero.

En varias combinaciones, forman muchos tipos diferentes de partículas subatómicas. Por ejemplo, los protones y los neutrones (partículas grandes del núcleo atómico) constan cada uno de tres quarks. Los dos superiores y el inferior forman un protón. El de arriba y los dos de abajo forman un neutrón. Cambiar el tipo de quark puede convertir un protón en un neutrón, convirtiendo así un elemento en otro.

Otro tipo de partículas elementales es un bosón. Estas partículas son portadores de interacción, que consisten en haces de energía. Los fotones son un tipo de bosón, los gluones son otro. Cada una de estas cuatro fuerzas es el resultado de un intercambio de portadores de interacción. La interacción fuerte la lleva a cabo el gluón y la interacción electromagnética el fotón. El gravitón es teóricamente el portador de la gravedad, pero no se ha encontrado.

interacción débil es
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Bosones W y Z

La interacción débil la llevan los bosones W y Z. Estas partículas fueron predichas por los premios Nobel Steven Weinberg, Sheldon Salam y Abdus Gleshow en la década de 1960 y descubiertas en 1983 en la Organización Europea para la Investigación Nuclear CERN.

Los bosones

W están cargados eléctricamente y se indican con los símbolos W+ (carga positiva) y W- (carga negativa). El bosón W cambia la composición de las partículas. Al emitir un bosón W cargado eléctricamente, la fuerza débil cambia el tipo de quark, haciendo un protónen un neutrón o viceversa. Esto es lo que causa la fusión nuclear y hace que las estrellas se quemen.

Esta reacción crea elementos más pesados que finalmente son arrojados al espacio por explosiones de supernovas para convertirse en los componentes básicos de planetas, plantas, personas y todo lo demás en la Tierra.

interacción débil
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Corriente de neutro

El bosón Z es neutro y lleva una corriente neutra débil. Su interacción con las partículas es difícil de detectar. Las búsquedas experimentales de bosones W y Z en la década de 1960 llevaron a los científicos a una teoría que combina las fuerzas electromagnética y débil en una sola "electrodébil". Sin embargo, la teoría requería que las partículas portadoras no tuvieran peso, y los científicos sabían que, teóricamente, el bosón W tendría que ser pesado para explicar su corto alcance. Los teóricos han atribuido la masa W a un mecanismo invisible llamado mecanismo de Higgs, que prevé la existencia del bosón de Higgs.

En 2012, el CERN informó que los científicos que usaban el acelerador más grande del mundo, el Gran Colisionador de Hadrones, habían observado una nueva partícula "correspondiente al bosón de Higgs".

la interacción débil se manifiesta en la descomposición de los núcleos atómicos
la interacción débil se manifiesta en la descomposición de los núcleos atómicos

Desintegración beta

La interacción débil se manifiesta en la desintegración β, el proceso en el que un protón se convierte en un neutrón y viceversa. Ocurre cuando, en un núcleo con demasiados neutrones o protones, uno de ellos se convierte en otro.

La descomposición beta puede ocurrir de dos formas:

  1. En decaimiento beta negativo, a veces escrito comoβ− -desintegración, el neutrón se divide en un protón, un antineutrino y un electrón.
  2. La interacción débil se manifiesta en la descomposición de los núcleos atómicos, a veces escrita como descomposición β+, cuando un protón se divide en un neutrón, un neutrino y un positrón.

Uno de los elementos puede convertirse en otro cuando uno de sus neutrones se convierte espontáneamente en un protón a través de la desintegración beta negativa, o cuando uno de sus protones se convierte espontáneamente en un neutrón a través de β+-decaimiento.

La doble desintegración beta ocurre cuando 2 protones en el núcleo se transforman simultáneamente en 2 neutrones o viceversa, lo que resulta en la emisión de 2 electrones-antineutrinos y 2 partículas beta. En una hipotética desintegración beta doble sin neutrinos, no se producen neutrinos.

interacción débil en física
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Captura electrónica

Un protón puede convertirse en un neutrón a través de un proceso llamado captura de electrones o captura K. Cuando el núcleo tiene un exceso de protones en relación con el número de neutrones, el electrón, por regla general, de la capa interna de electrones parece caer en el núcleo. El electrón del orbital es capturado por el núcleo padre, cuyos productos son el núcleo hijo y el neutrino. El número atómico del núcleo hijo resultante se reduce en 1, pero el número total de protones y neutrones sigue siendo el mismo.

Reacción de fusión

La fuerza débil está involucrada en la fusión nuclear, la reacción que alimenta el sol y las bombas de fusión (hidrógeno).

El primer paso en la fusión del hidrógeno es la colisión de dosprotones con fuerza suficiente para superar la repulsión mutua que experimentan debido a su interacción electromagnética.

Si ambas partículas se colocan cerca una de la otra, una fuerte interacción puede unirlas. Esto crea una forma inestable de helio (2He), que tiene un núcleo con dos protones, a diferencia de la forma estable (4He), que tiene dos neutrones y dos protones.

El siguiente paso es la interacción débil. Debido a un exceso de protones, uno de ellos sufre una desintegración beta. Después de eso, otras reacciones, incluyendo la formación intermedia y la fusión 3He, finalmente forman un 4He. estable.

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