Interacción débil

La interacción débil afecta a todo leptón con quiralidad zurda y a los quarks. Es la única fuerza que afecta a los neutrinos (excepto por la gravitación, que no se puede evitar a escalas del laboratorio). La interacción débil es única en varios aspectos:

1. Es la única interacción capaz de cambiar su sabor
2. Es la única interacción que viola la paridad de la simetría P (ya que solo actúa sobre electrones, muones y tauones levógiros). Esta es también la única que viola la simetría CP.
3. Es la que media entre los bosones de gauge pesados. Esta característica inusual es explicada en el modelo estándar por el mecanismo de Higgs.

Debido a la gran masa de las partículas que transportan la interacción débil (cerca de los 90 GeV/c²), su vida media está limitada a cerca de 3×10⁻²⁷  segundos, por el principio de incertidumbre. Incluso a la velocidad de la luz este límite efectivo del rango de la interacción débil de 10⁻¹⁸  metros, cerca de mil veces más pequeña que el diámetro del núcleo atómico.

Considérese un neutrón (contiene un quark up y dos quark down), aunque el neutrón es más masivo que su «hermano» nucleón (m (neutrón)= 939.5653 MeV, m (protón)=938.27203 MeV), no puede decaer en un protón (contiene dos quark up y un quark down) sin cambiar el sabor de uno de los quarks down. La interacción fuerte o el electromagnetismo no pueden cambiar su sabor, por lo que esto solo puede ocurrir a través de un decaimiento débil. En este proceso, un quark down en un neutrón cambia en un quark up emitiendo un bosón W, que luego se rompe en electrones de alta energía y un antineutrino electrónico. Los electrones altamente energéticos son radiación beta, esto es llamado desintegración beta.

En un tipo de interacción de corriente cargada, un leptón cargado (como un electrón o un muon con carga -1) puede absorber un bosón W. (como un electrón o un muon, con carga -1) puede absorber un bosón W⁺ (una partícula con carga +1) y convertirse así en el correspondiente neutrino (con carga 0). (con carga 0), donde el tipo ("sabor") del neutrino (electrón, muon o tau) es el mismo que el tipo de leptón en la interacción, por ejemplo:

${\displaystyle \mu ^{-}+W^{+}\to \nu _{\mu }}$

Del mismo modo, un quark de tipo down (d con una carga de -¹⁄₃) puede convertirse en un quark de tipo up (u, con una carga de +²⁄₃), emitiendo un bosón W^- o absorbiendo un bosón W⁺. Más concretamente, el quark de tipo down se convierte en una superposición cuántica de quarks de tipo up: es decir, tiene la posibilidad de convertirse en cualquiera de los tres quarks de tipo up, con las probabilidades dadas en las tablas de la matriz CKM. A la inversa, un quark de tipo up puede emitir una bosón W +, o absorber un bosón bosón W -, y así convertirse en un quark de tipo down, por ejemplo:

${\displaystyle {\begin{aligned}d&\to u+W^{-}\\d+W^{+}&\to u\\c&\to s+W^{+}\\c+W^{-}&\to s\end{aligned}}}$

El bosón W es inestable por lo que decaerá rápidamente, con una vida muy corta. Por ejemplo:

Error al representar (SVG (MathML puede ser habilitado mediante un plugin de navegador): respuesta no válida («Math extension cannot connect to Restbase.») del servidor «http://localhost:6011/es.wikipedia.org/v1/»:): {\displaystyle \begin{align} W^- &\to e^- + \bar\nu_e~ \\ W^+ &\to e^+ + \nu_e~ \end{align}}

La descomposición de un bosón W en otros productos puede ocurrir, con probabilidades variables.[11]

En la llamada desintegración beta de un neutrón (ver imagen, arriba), un quark down dentro del neutrón emite una partícula virtual bosón W⁺ y se convierte así en un quark up, convirtiendo el neutrón en un protón. Debido a la energía implicada en el proceso (es decir, la diferencia de masa entre el quark down y el quark up), el bosón W^- sólo puede convertirse en un electrón y en un electrón-antineutrino.[12] A nivel de quarks, el proceso puede representarse como:

Error al representar (SVG (MathML puede ser habilitado mediante un plugin de navegador): respuesta no válida («Math extension cannot connect to Restbase.») del servidor «http://localhost:6011/es.wikipedia.org/v1/»:): {\displaystyle d\to u+ e^- + \bar\nu_e~}

En las interacciones de corriente neutra, un quark o un leptón (por ejemplo, un electrón o un muon) emite o absorbe un bosón Z neutro. Por ejemplo:

${\displaystyle e^{-}\to e^{-}+Z^{0}}$

Como el bosón W^+-, el bosón Z⁰ también decae rápidamente,[11] por ejemplo:

Error al representar (SVG (MathML puede ser habilitado mediante un plugin de navegador): respuesta no válida («Math extension cannot connect to Restbase.») del servidor «http://localhost:6011/es.wikipedia.org/v1/»:): {\displaystyle Z^0\to b+\bar b}

A diferencia de la interacción carga-corriente, cuyas reglas de selección están estrictamente limitadas por la quiralidad, la carga eléctrica y/o el isospín débil, la interacción corriente neutra Z boson0 puede hacer que dos fermiones cualesquiera del modelo estándar se desvíen: Tanto las partículas como las antipartículas de cualquier carga eléctrica, y tanto la quiralidad izquierda como la derecha, aunque la fuerza de la interacción difiere. Los únicos fermiones con los que el bosón Z⁰ no interactúa son los hipotéticos "estériles": Los antineutrinos quirales izquierdos y los neutrinos quirales derechos. Se denominan "estériles" porque no interactuarían con ninguna partícula del Modelo Estándar, pero hasta ahora siguen siendo totalmente una conjetura; no se sabe que tales neutrinos existan realmente.

La carga débil de número cuántico (Q_w) cumple el mismo papel en la interacción de la corriente neutra con el Z⁰ que la carga eléctrica (Q, sin subíndice) hace en la interacción electromagnética: cuantifica la parte vectorial de la interacción. Su valor viene dado por:[13]

${\displaystyle Q_{\text{W}}=2\,T_{3}-4\,Q\,\sin ^{2}\theta _{\text{W}}=2\,T_{3}-Q+\left(1-4\,\sin ^{2}\theta _{\text{W}}\right)\,Q~.}$

Dado que el ángulo de mezcla débil ${\displaystyle ~\theta _{\text{W}}\approx 29^{\circ }~,}$ la expresión entre paréntesis ${\displaystyle ~\left(1-4\,\sin ^{2}\theta _{\text{W}}\right)\approx 0.06~,}$ con su valor variando ligeramente con la diferencia de momento (corriendo) entre las partículas involucradas. Por lo cual:

${\displaystyle Q_{\text{W}}\approx 2\,T_{3}-Q=\operatorname {sgn}(Q)\,\left(1-\left|Q\right|\right)~,}$

ya que por convención ${\displaystyle \operatorname {sgn} T_{3}\equiv \operatorname {sgn} Q~,}$ y para todos los fermiones involucrados en la interacción débil ${\displaystyle ~T_{3}=\pm {\tfrac {1}{2}}~.}$. La carga débil de leptones cargados es entonces cercana a cero, por lo que estos en su mayoría interactúan a través del acoplamiento axial con el Z.