A interação fraca (também chamada de força fraca e às vezes de força nuclear fraca ) é uma das quatro interações fundamentais da natureza, as outras três sendo interações eletromagnéticas , fortes e gravitacionais . É responsável pela decadência radioativa de partículas subatômicas e está na origem da fusão nuclear nas estrelas. Afeta todas as categorias conhecidas de férmions , começando com elétrons , quarks e neutrinos .
No modelo padrão da física de partículas , a interação fraca é causada pela troca de bósons W + , W - e Z 0 . O efeito mais conhecido é a radioatividade β . A maioria das partículas está sujeita à degradação causada pela interação fraca. Os bósons W e Z têm uma massa muito alta, por isso seu alcance é muito curto. Além disso, sua intensidade (constante de acoplamento) é geralmente inferior em várias ordens de magnitude do que as das interações eletromagnéticas e fortes, o que explica seu nome. A interação fraca tem várias propriedades únicas, incluindo sua capacidade de alterar o sabor dos quarks e quebrar a simetria de paridade e a simetria CP .
A interação fraca foi descrita pela primeira vez na década de 1930 por Enrico Fermi , que a tornou uma interação de contato de quatro férmions. Chamada de interação de Fermi , Fermi a usou para explicar o decaimento β do nêutron . Também foi usado em 1947, quando a decadência do múon foi descoberta . Posteriormente, uma descrição na forma de um campo de intervalo muito curto foi preferida. Em 1968, as interações eletromagnética e fraca foram unificadas e apresentadas como dois aspectos da interação eletrofraca .
Β a radioatividade está na origem da nucleossíntese nas estrelas. É isso que torna possível a datação por carbono-14 , ao transformar o carbono-14 em nitrogênio-14 . É também fonte de radioluminescência , usada na iluminação de trítio e em geradores beta-voltaicos .
A interação fraca é única de várias maneiras:
A interação fraca permite que todos os léptons e quarks troquem energia , massa e carga elétrica , permitindo que eles mudem famílias e sabores.
A interação fraca tem alcance muito curto e sua influência se limita ao núcleo atômico . Isso pode ser explicado pela massa dos bósons W e Z , que está em torno de 90 GeV . c -2 , o que lhes dá uma vida útil de menos de 10 −24 se dá à interação fraca um intervalo teórico de cerca de 10 -17 m, que é cem vezes menor do que a interação forte (as outras interações fundamentais, eletromagnéticas e gravitacionais , tem um alcance infinito).
Esta força fundamental é a mais fraca das interações não gravitacionais. Nas energias usualmente consideradas na física nuclear , ele é modelado por uma interação efetiva simplificada (força de Fermi) cuja constante de acoplamento é cerca de 10.000 vezes menor que a da interação eletromagnética e 1.000.000 vezes menor que a da interação nuclear forte. Isso se explica, entre outras coisas, pelo fato de seu campo de ação ser muito limitado. No entanto, sua intensidade aumenta rapidamente com a energia das partículas presentes, o que o faz acompanhar a interação eletromagnética em torno de algumas dezenas de GeV. É nesse nível que ele se mistura com ele para dar a interação eletrofraca . Apenas a força gravitacional é ainda mais fraca, mas cresce ainda mais rápido com a energia do que a interação fraca, o que deixa em aberto a possibilidade de uma unificação de todas as interações elementares.
geração 1 | geração 2 | geração 3 | ||||||
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fermion | símbolo | isospin fraco |
fermion | símbolo | isospin fraco |
fermion | símbolo | isospin fraco |
elétron | muon | tau | ||||||
neutrino-elétron | neutrino de muon | neutrino tau | ||||||
quark up | charme quark | quark superior | ||||||
quark down | quark estranho | quark bottom |
A carga associada à interação fraca é a isospin fraca (T 3 ou T z ). É o equivalente à massa para gravidade, carga elétrica para interação eletromagnética e carga de cor para interação forte. Ele governa a maneira como duas partículas interagem. Os férmions elementares têm um isospin fraco de ± 1/2. Por exemplo, quarks do tipo up (u, c e t) têm T 3 = +1/2. Eles se transformam em quarks do tipo down (d, s ou b) que têm T 3 = −1/2 e vice-versa. Os bósons têm um isospin 0 ou ± 1 fraco. Em particular, o W + a T 3 = 1 e o W - a T 3 = -1, que permitem auto-interações do campo de interação fraco denominado acoplamentos trilinear e quadrático.
A isospin fraca é conservada durante os decaimentos: a soma das isospins fracas é idêntica antes e depois da reação. Por exemplo, um π + píon , que tem uma isospin +1 fraca, decai em um μ + múon de isospin fraca +1/2 e um neutrino de múon ν μ de isospin fraca +1/2.
Desde a introdução da teoria eletrofraca , uma nova carga chamada hipercarga fraca foi proposta. É uma combinação da carga elétrica e isospin fraco: . A hipercarga fraca é o gerador do componente U (1) do grupo de medidores eletrofracos SU (2) xU (1).
A interação com Fermi foi primeiro destacada. No início do XXI th século, considera-se uma interacção eficaz a baixas energias mostrando troca de W ± , que, sendo carregados electricamente, os casais para uma corrente em si electricamente carregado: o mais comumente utilizado dessa corrente consiste de uma parte que aniquila um neutrino-elétron e cria um elétron, ou o contrário, ou também cria / aniquila um par neutrino-pósitron, ou os mesmos processos com as antipartículas. Ele desempenha o mesmo papel com o par nêutron-próton. É essa interação que é a base do decaimento β do nêutron, que pode ser esquematizado pela reação:
Como o W tem uma massa alta, o tempo de reação durante o qual o W é virtual é muito curto, e a interação ocorre praticamente no local, resumindo-se à interação do ponto de Fermi:
Como as partículas presentes antes da reação e as presentes depois são diferentes, foi muito fácil demonstrar os decaimentos β e, portanto, indiretamente, as correntes eletricamente carregadas.
O Z 0 dá origem ao mesmo tipo de reações que os W, mas enfrenta forte competição de interações eletromagnéticas e fortes. Portanto, só tivemos sucesso em demonstrar a corrente eletricamente neutra que se acopla a Z, destacando as reações em que o neutrino presente no início é encontrado no final. Obviamente, isso exigia fazer um experimento com um feixe de neutrinos suficientemente intenso e com energia suficiente para ter a probabilidade de observar eventos. Este tour de force não foi alcançado, após a formulação da teoria, até 1973 (ver descoberta das correntes neutras ).
A radioatividade é conhecida desde 1896, a distinção entre radioatividade α e β feita desde 1899, transmutação entre átomos estabelecida desde 1901, e sinais de perda de energia no processo acumulado entre 1911 e 1927. É em 1930 que Wolfgang Pauli sugeriu que um muito partícula neutra de luz foi emitida, mas ainda não observada, e em 1934 que Fermi propôs uma teoria da radioatividade β em que neutrinos são emitidos. Esta teoria prevê interações com 4 férmions (nêutron, próton, elétron e neutrino), que constituem a primeira versão da interação fraca.
Por muito tempo se acreditou que as leis da natureza eram idênticas entre duas situações que são o reflexo uma da outra em um espelho. Essa lei de paridade era respeitada pela gravitação clássica, eletromagnetismo e interação forte, e era considerada universal. Mas na década de 1950, Chen Ning Yang e Tsung-Dao Lee sugeriram que a interação fraca violava essa simetria. Chien Shiung Wu e colegas demonstraram a violação da simetria de paridade em 1957, e Yang e Lee receberam o Prêmio Nobel de Física no mesmo ano.
A descoberta da violação da simetria e o aparecimento de teorias de renormalização sugeriram a Robert Marshak e George Sudarshan em 1957 e depois a Richard Feynman e Murray Gell-Mann para modificar a teoria de Fermi introduzindo uma característica das partículas chamada quiralidade . Nesta teoria, a interação fraca atua apenas sobre as partículas da quiralidade esquerda, aquelas da quiralidade direita não são sensíveis a ela. Na situação de espelho, a quiralidade muda e, portanto, a interação não atua sobre as mesmas partículas. Naquela época, o bóson Z não era conhecido e a teoria não incluía os campos de quiralidade corretos que ocorrem em correntes neutras.
A nova teoria introduziu uma nova simetria chamada CP , que combina paridade (permutação esquerda-direita) e conjugação (permutação entre partículas e antipartículas). Mas em 1964, James Christenson, James Cronin , Val Fitch e René Turlay mostraram experimentalmente que essa simetria também foi violada na decadência dos kaons ; Cronin e Fitch ganharam o Prêmio Nobel de Física em 1980 por este resultado. Em 1973, Makoto Kobayashi e Toshihide Maskawa mostraram que a violação da simetria do CP requer uma terceira geração de partículas em modelos teóricos.
Em 1979, Abdus Salam , Sheldon Glashow e Steven Weinberg receberam o Prêmio Nobel de Física por suas contribuições para a unificação teórica entre interação fraca e interação eletromagnética , criando assim o Modelo Padrão de Interação Eletrofraca . Sua existência foi comprovada experimentalmente em duas etapas. Em primeiro lugar, a colaboração de Gargamelle em 1973 tornou possível descobrir as correntes neutras. Então, em 1983, as colaborações UA1 e UA2 demonstraram a existência dos bósons W e Z; em 1984, Carlo Rubbia e Simon van der Meer ganharam o Prêmio Nobel de Física por sua contribuição para esses experimentos.