Interacción nuclear débil

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La interacción nuclear débil es una de las cuatro interacciones fundamentales que el modelo estándar de la física establece para explicar el Universo. No es propiamente una fuerza, a diferencia de las otras tres, ya que no produce atracciones o repulsiones.

Unos diez mil millones de veces más débil que la electromagnética y con un alcance aún menor que la interacción fuerte (el límite efectivo del rango de la interacción débil de 10−18 metros), esta interacción es la responsable de todos los cambios de sabor de quarks y leptones. De esta forma explica así mismo los fenómenos radiactivos de tipo beta.

Tabla de contenidos

Bosones portadores:

Al igual que todas las demás fuerzas fundamentales, esta interacción se ejerce a través del intercambio de ciertas partículas fundamentales. En este caso, partículas virtuales con carga eléctrica, llamadas partículas W+ y W- (del inglés weak, débil) y de una partícula neutra llamada Z0.

En este caso, el intercambio de una partícula no produce una fuerza, sino el cambio de identidad de una partícula

Tipos de interacción:

Con escrupulosidad científica, habría que decir que existen tres tipos de interacción, catalogadas conformes a unos procesos complejos pero bien diferenciados.

Sin embargo, no podemos pretender abordar semejante tema con el rigor que se merece, por lo que habremos de contentarnos con simplificar en dos tipos de interacción. La efectuada a través de particulas W y la efectuada a través de partículas Z.

La primera, implica cambios de carga electrica y de sabor cuando un leptón o un quark emiten o absorben un bosón W.

El segundo caso, sin embargo, la emisión o absorción de un bosón Z, dado que este no posee carga eléctrica, no produce una variación de la misma. Pero, aunque pudiera sospecharse otra cosa, tampoco produce cambio de sabor. El intercambio de partículas Z sólo produce variaciones en el momento lineal de las partículas implicadas.

Decaimiento y cambio de sabor:

La interacción nuclear débil es la responsable de ciertos tipos de radiactividad natural, como la desintegración de un neutrón en un protón, un electrón y un neutrino.

A nivel subatómico, la interacción débil es la responsable de que todos los quarks y leptones más pesados decaigan para producir quarks y leptones más livianos.

Cuando una partícula decae, desaparece y en su lugar aparecen dos o más partículas. La suma de las masas de las partículas producidas es siempre menor que la masa de la partícula original. Ésta es la razón por la cual la materia estable que nos rodea contiene sólo electrones y los dos quarks más livianos (up y down). Esto restringe la materia estable a los consabidos protones, neutrones y electrones. Sin la interacción existirían muchas otras formas de materia exótica a partir de quarks y leptones más pesados.

Decaimiento beta del neutrón:

Un neutrón está hecho de 1 quark up (u) y 2 quarks down (d)

n0 = udd

El protón está formado por 2 quarks up (u) y 1 quark down (d)

P+ = uud

Según el modelo de los bosones intermediarios, un quark down (d) cambia a up (u) por medio de la interacción débil, emitiendo un bosón W-. Vemos que se conserva la carga eléctrica.

(d) (carga -1/3) => (u) (carga +2/3) + W- (carga -1)

A su vez, este bosón W- da lugar a un electrón y un antineutrino. En resumen:

El neutrón se transforma en protón mediante el decaimiento radiactivo de un núcleo, apareciendo un electrón y un anti-neutrino. Este es el origen de la radiación beta (electrónes).

neutrón (udd) → protón (uud) + electrón + antineutrino

Los pasos intermedios de este proceso ocurren de forma casi instantánea, por lo que no son observables. Sólo podemos deducirlos a partir de sus productos generados.

Aplicaciones:

Carbono-14:

El famoso método de datación de fósiles del carbono 14 se basa en este decaimiento natural. El carbono-14 es un isótopo del carbono generado de forma natural en la atmósfera y absorbido por todo ser vivo. Su núcleo contiene 6 protones y ocho neutrones y su periodo de semidesintegración es de 5730 años.

A efectos prácticos, esto quiere decir que la masa de este isótopo en cualquier espécimen disminuye a este ritmo: a los 5730 años de la muerte de un ser vivo la cantidad de 14C en sus restos se ha reducido a la mitad.


Interacciones fundamentales

Interacción Bosón portador Partículas sobre las que actúa Intensidad

(en veces la gravitatoria)

Alcance
Fuerte Gluón quarks y gluones 1039 10-15 metros
Electromagnética Fotón cargadas 1037 ilimitado
Débil Bosones W y Z quarks y leptones 1030 10-18 metros
Gravitatoria Gravitón masa y energía 1 ilimitado
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