Interazione debole: differenze tra le versioni

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In [[fisica]] l''''interazione debole''' (chiamata anche per ragioni storiche '''forza debole''' o '''forza nucleare debole''') è una delle quattro [[interazioni fondamentali]]. È alla base del [[Radioattività|decadimento radioattivo]] degli atomi.

{{S|fisica}}

La '''forza nucleare debole''', spesso definita anche '''interazione debole''', è una delle quattro [[interazioni fondamentali]] della natura, secondo la [[fisica nucleare]].

L'interazione debole agisce tra [[leptoni]] e [[Quark (particella)|quark]] (interazioni semileptoniche), tra soli leptoni (interazioni leptoniche) e tra soli quark (interazioni non leptoniche) attraverso lo scambio dei [[bosoni W e Z]], [[Bosone vettore|bosoni vettoriali]] dotati di massa. È la sola interazione che interviene sui [[neutrini]], i quali non posseggono né [[carica elettrica]], né [[carica di colore]], e hanno massa tanto piccola che la [[Interazione gravitazionale|gravità]] è trascurabile.

==Proprietà==

[[Immagine:Beta_Negative_Decay.svg|thumb|300 px|[[Diagramma di Feynman]] che rappresenta il [[decadimento beta|decadimento beta negativo]]: un [[neutrone]] "udd" si trasforma in un [[protone]] "uud" attraverso l'emissione di un [[bosone W|bosone W^-]], che a sua volta si scinde in un [[elettrone]] e in un [[neutrino|antineutrino elettronico]]]]

All'interno del [[Modello Standard]], l'interazione debole, grazie al modo in cui viene considerata alla luce della [[teoria quantistica dei campi]], è dovuta all'interscambio, tra le particelle che parteciapno ad un'interazione, dei [[bosone|bosoni vettori]] [[bosone W|W^±]] e [[bosone Z|Z⁰]]; è, poi, la responsabile del [[decadimento beta]], associato alla [[radioattività]]; inoltre, pioché le [[particelle]] che sono interessate dagli effetti della forza debole sono tutti [[leptoni]] [[chiralità|sinistrorsi]] e [[quark|quarks]], essa è l’unica dalle quattro forze, se si esclude la [[gravità]] - trascurabile negli [[esperimento|esperimenti]] di laboratorio - che interviene sui [[neutrini]].

A determinati livelli di energia l'interazione debole è unificata a [[Interazione elettromagnetica|quella elettromagnetica]] in un'unica interazione detta [[interazione elettrodebole|elettrodebole]].

Ma la forza nucleare debole possiede peculiarità ulteriori:

== Storia ==

*è l'unica delle interazioni a provocare un cambiamento nella [[sapore (fisica)|carica di sapore]];

Il primo prototipo di una teoria dell'interazione debole è la [[Interazione di Fermi|teoria di Fermi]] del 1933. Questa teoria spiegava il [[decadimento beta]] in analogia con l'interazione elettromagnetica, cioè come un'interazione puntiforme di quattro fermioni, con una costante di accoppiamento detta [[costante di Fermi]].<ref>{{Cita pubblicazione|autore=Fermi|nome=E.|anno=1934|titolo=Tentativo di una teoria dei raggi β|rivista=[[Il Nuovo Cimento]]|volume=11|numero=1|pp=1-19|doi=10.1007/BF02959820|bibcode=1934NCim...11....1F}}</ref> Le transizioni delle particelle sono descritte in termini di correnti vettoriali, proprio come per l'elettromagnetismo, con la differenza che nel caso debole esse hanno una variazione di carica elettrica.

*è l'unica a violare la [[simmetria CPT|simmetria di parità P]], agendo sulle sole particelle levogire. Viola inoltre la [[simmetria CP]];

*è mediata da bosoni di gauge particolarmente [[massa|massivi]]. Nel [[Modello Standard]] questo insolito aspetto è descritto dal [[meccanismo di Higgs]].

Tuttavia, la scoperta della violazione di parità osservata nell'[[esperimento di Wu]] rese necessario modificare la teoria. In seguito si giunse alla conclusione che l'interazione debole non sia un'interazione di contatto, ma piuttosto un'interazione di corto raggio mediata da particelle con breve vita media, i [[Bosoni W e Z|bosoni W]]. La scoperta di questi ultimi, avvenuta nel 1983, diede la conferma sperimentale della teoria.<ref name="Cottingham-Greenwood-1986-2001" />

Proprio a causa della grande massa delle particelle che trasmettono questa forza (corrispondente a circa 90 [[elettronvolt|GeV]]/c²), la [[vita media]] dei bosoni W e Z è di 3 &times; 10^-27 secondi. Questo aspetto limita considerevolmente, anche considerando la [[velocità della luce|velocità di propagazione della luce]], il raggio d'azione dell'interazione debole, che risulta così di 10^-18 metri, circa mille volte più piccolo del diametro del [[nucleo atomico]].

== Proprietà ==

===Dinamica del decadimento beta===

[[File:Weak Decay (flipped).svg|thumb|right|upright=1.3|Un diagramma che raffigura i modi di decadimento dovuto all'interazione debole carica e una misura della loro probabilità. L'intensità delle linee dipende dai [[Matrice CKM|parametri CKM]].]]

=== Processi deboli ===

L'interazione debole carica elettricamente è unica per due motivi: è l'unica interazione che può cambiare il [[Sapore (fisica)|sapore]] di quark e leptoni, cioè può cambiare un tipo di quark in un altro,<ref group="nb">A causa della sua caratteristica unica di cambiare il sapore, lo studio dell'interazione debole è talvolta chiamato in inglese ''quantum flavordynamics'', {{lett|sapordinamica quantistica}}, in analogia con "[[cromodinamica quantistica]]", la teoria che spiega l'interazione forte.</ref> e l'unica interazione che viola la [[Parità (fisica)|simmetria di parità]] e la [[simmetria CP]]. Infine, sia le interazioni neutre sia quelle cariche agiscono tramite particelle mediatrici ([[Bosone di gauge|bosoni di gauge]]) massive, caratteristica unica spiegata dal [[meccanismo di Higgs]] nell'ambito del [[modello standard]]. A causa della loro grande massa (approssimativamente 90&nbsp;GeV/c²<ref name="PDG">{{Cita pubblicazione|autore=[[Particle Data Group]] |anno=2006 |titolo=Review of Particle Physics: Quarks |rivista=[[Journal of Physics G]] |volume=33 |numero=1 |pp=1-1232 |doi=10.1088/0954-3899/33/1/001 |arxiv=astro-ph/0601168 |bibcode = 2006JPhG...33....1Y |url=http://pdg.lbl.gov/2006/tables/qxxx.pdf}}</ref>) questi mediatori, detti [[bosoni W e Z]], hanno una breve vita media minore di {{M|1|u=s|e=-24}}.<ref>{{Cita libro|titolo=Story of the W and Z |autore=Watkins, Peter |editore=Cambridge University Press |città=Cambridge |url=https://archive.org/details/storyofwz0000watk/page/70 |p=70 |anno=1986 |isbn=978-0-521-31875-4}}</ref>

L'interazione debole ha una [[Costanti di accoppiamento|costante di accoppiamento]] (una quantità indicatrice di quanto frequentemente accadono le interazioni) tra {{M|1|e=-7}} e {{M|1|e=-6}}, da confrontare la costante elettromagnetica di circa {{M|1|e=-2}} e la costante dell'interazione forte di 1;<ref name="coupling">{{cita web|titolo=Coupling Constants for the Fundamental Forces |opera=HyperPhysics |editore=[[Georgia State University]] |url=http://hyperphysics.phy-astr.gsu.edu/hbase/forces/couple.html |accesso=2 marzo 2011}}</ref> questo confronto spiega il termine "debole".<ref name="physnet"/> L'interazione debole ha un raggio efficace molto piccolo (da {{M|1|e=-17}} a {{M|1|e=-16|u=m}} o equivalentemente da 0,01 a {{M|0,1|u=fm}}).<ref group="nb">Per confronto, il raggio di carica del protone è pari a {{M|8,3|e=-16|u=m}}, o {{M|0,83|u=fm}}</ref><ref name="coupling"/><ref name="physnet">{{cita web|autore=Christman, J. |anno=2001 |titolo=The Weak Interaction |sito=Physnet |editore=[[Michigan State University]] |url=http://physnet2.pa.msu.edu/home/modules/pdf_modules/m281.pdf |urlmorto=si |urlarchivio=https://web.archive.org/web/20110720004912/http://physnet2.pa.msu.edu/home/modules/pdf_modules/m281.pdf}}</ref> A distanze come {{M|1|e=-18|u=m}} ({{M|0.001|u=fm}}), l'interazione debole ha un'intensità di un modulo simile alla forza elettromagnetica, ma questo inizia a diminuire esponenzialmente con l'aumento della distanza. A un ordine di grandezza e mezzo in più, a una distanza di circa {{M|3|e=-17|u=m}}, l'interazione debole diventa {{M|10000}} volte più debole.<ref>{{cita web|titolo=Electroweak |sito=The Particle Adventure |editore=[[Particle Data Group]] |url=http://www.particleadventure.org/electroweak.html |accesso=3 marzo 2011}}</ref>

Essendo una [[forza]] così debole e avendo un raggio di azione così corto, se comparata con le altre [[interazioni fondamentali|forze fondamentali]], il suo effetto più considerevole è il cambiamento della carica di sapore. Si pensi al caso del [[neutrone]]: esso contiene un [[quark up]] e due [[quark down|quarks down]]. "Up" e "down" sono appunto i nomi delle cariche di sapore. Sebbene il neutrone sia più pesante del [[protone]], l'altra particella costituente il nucleo atomico (perciò entrambi sono generalmente chiamati [[nucleoni]]), il primo non può [[decadimento|decadere]] nel secondo senza che uno dei quarks down cambi sapore: cioè si trasformi da down a up. Né la [[forza nucleare forte]], né l'[[elettromagnetismo]] consentono il cambiamento di sapore, così questo evento è regolato dal decadimento debole. In questo processo, un quark down del neutrone decade in un quark up attraverso l'emissione di un [[bosone W|bosone W^-]], che decade a sua volta, poco dopo, in un [[elettrone]] ad alta energia e in un [[neutrino|antineutrino elettronico]]. È ciò che si chiama [[decadimento beta|decadimento beta negativo]].

L'interazione debole influenza tutti i [[Fermione|fermioni]] del modello standard, e pure il [[bosone di Higgs]]; i neutrini interagiscono solo attraverso la gravità e l'interazione debole. L'interazione debole non produce stati legati per cui non ha un'[[energia di legame]] - qualcosa che la gravità fa su scala astronomica, che la forza elettromagnetica fa a livello molecolare e atomico, e che la [[forza forte]] fa solo a livello subatomico, all'interno dei [[Nucleo atomico|nuclei]].<ref name="greiner">{{Cita libro|autore1=Greiner, Walter |autore2=Müller, Berndt |anno=2009 |titolo=Gauge Theory of Weak Interactions |editore=Springer |isbn=978-3-540-87842-1 |url=https://books.google.com/books?id=yWTcPwqg_00C |p=2}}</ref>

La debole intensità dell'interazione debole fa sì che i decadimenti in cui è coinvolta siano più lenti di quelli elettromagnetici o di quelli relativi all'interazione forte. Ad esempio, si può studiare il tipo di decadimento di un [[pione]] neutro considerando la durata dell'evento: se esso decade elettromagneticamente ha una vita media di 10^-18 secondi: mentre se il decadimento è mediato dalla forza debole, si riscontra un tempo di 10^-8 secondi. Un tempo cento milioni di volte più lungo. Questa peculiarità si applica anche al neutrone, facendo di esso la [[particella]] instabile con la [[vita media]] più lunga: un neutrone isolato può decadere anche dopo 15 minuti.

Il suo effetto più evidente è dovuto alla sua prima caratteristica unica: l'interazione debole carica provoca un cambiamento di sapore. Per esempio, un [[neutrone]] è più pesante di un [[protone]] (il suo compagno [[nucleone]]), e può decadere in un protone cambiando il sapore (o tipo) di uno dei suoi due quark down in un quark up. Né l'interazione forte né l'elettromagnetismo permettono il cambiamento di sapore, quindi questo procede per decadimento debole; senza decadimento debole, anche le proprietà dei quark come la [[stranezza]] e il [[Charm (numero quantico)|charm]] (associate rispettivamente al quark strange e al quark charm) sarebbero conservate attraverso tutte le interazioni.

===Tipi di interazione===

Tutti i [[Mesone|mesoni]] sono instabili per via del decadimento debole.<ref name=Cottingham-Greenwood-1986-2001/><ref group="nb">Il pione neutro, tuttavia, decade tramite l'elettromagnetismo e molti mesoni decadono con maggior probabilità tramite l'interazione forte, quando i loro numeri quantici lo permettono.</ref> Nel processo chiamato [[decadimento beta]], un quark down all'interno dei neutroni può diventare un quark up emettendo un bosone W che si converte a sua volta in un elettrone e in un antineutrino elettronico.<ref name=Cottingham-Greenwood-1986-2001/> Un altro esempio è la [[cattura elettronica]], una variante comune del [[decadimento radioattivo]], in cui un protone e un elettrone all'interno di un atomo interagiscono e producono un neutrone con emissione di un neutrino elettronico.

Esistono tre tipologie di interazione debole: due di esse coinvolgono i bosoni carichi elettricamente, i bosoni W^- e W⁺, e sono chiamate [[corrente carica|interazioni a corrente carica]]; il terzo tipo, mediato dalla particella Z⁰, è detta [[corrente neutra|interazione a corrente neutra]]. Ecco, con alcuni esempi, le dinamiche dei vari tipi di interazione:

Per via delle grandi masse dei bosoni W, le trasformazioni o i decadimenti delle particelle (i cambiamenti di sapore) che dipendono dall'interazione debole tipicamente avvengono molto più lentamente che i medesimi processi che coinvolgono le interazioni forti e elettromagnetiche.<ref group="nb">L'eccezione più nota e forse unica a questa regola è il decadimento del [[quark top]], la cui massa supera la massa combinata del [[quark bottom]] e del bosone W, le particelle che vengono prodotto dal suo decadimento, per cui non ha un limite energetico che rallenta il processo.</ref> Ad esempio, un [[pione]] neutro decade elettromagneticamente, e ha una vita media solamente di {{M|1|e=-16|u=s}}; per confronto, un pione carico, che può decadere solo debolmente, ha una vita media di {{M|1|e=-8|u=s}}, 100 milioni di volte maggiore di quella del pione neutro.<ref name=Cottingham-Greenwood-1986-2001/> Un esempio particolarmente estremo è il tempo di decadimento debole di un neutrone libero che è circa 15 minuti.<ref name=Cottingham-Greenwood-1986-2001/>

*un [[leptone]] carico, come un [[elettrone]] o un [[muone]], può emettere o assorbire un bosone W, trasformandosi nel corrispondente [[neutrino]];

*un [[quark down]], di [[carica (fisica)|carica]] -1/3, può emettere o assorbire un bosone W e diventare una superposizione di un [[quark up]]. Al contrario, me con andamento simile, un quark up può cambiare in un quark down. L'esatto contenuto di questa superposizione è dato dalla [[matrice CKM]];

*Sia un leptone che un quark possono emettere o assorbire un bosone Z.

===Isospin debole e ipercarica debole===

Le due interazioni a corrente carica sono responsabili dei fenomeni legati al [[decadimento beta]]. L'interazione a corrente neutra fu osservata per la prima volta negli esperimenti di [[scattering]] dei neutrini, nel [[1974]], e negli [[acceleratore di particelle|esperimenti di collisione tra particelle]] nel [[1983]].

{{Vedi anche|Isospin debole}}

{| style="right; margin:0 0 .5em 1em;" class="wikitable"

|+'''Fermioni [[Chiralità (fisica)|sinistrorsi]] nel modello standard'''<ref name="baez">

{{Cita pubblicazione|nome1=John C. |cognome1=Baez |wkautore1=John C. Baez|nome2=John |cognome2=Huerta|anno=2010|titolo=The algebra of grand unified theories|rivista=Bulletin of the American Mathematical Society|volume=0904 |numero=3 |pp=483-552|bibcode=2009arXiv0904.1556B |arxiv=0904.1556 |doi=10.1090/s0273-0979-10-01294-2|url=http://math.ucr.edu/~huerta/guts/node9.html|accesso=15 ottobre 2013}}

</ref>

|-

!colspan="3" style="background:#339900; color:#ffffff"|Generazione 1

!colspan="3" style="background:#339900; color:#ffffff"|Generazione 2

!colspan="3" style="background:#339900; color:#ffffff"|Generazione 3

|- style="background:#fdd;"

!Fermione

!Simbolo

![[Isospin debole|Isospin<br/>debole]]

!Fermione

!Simbolo

![[Isospin debole|Isospin<br/>debole]]

!Fermione

!Simbolo

![[Isospin debole|Isospin<br/>debole]]

|-

|style="background:#efefef"| [[Neutrino elettronico]]

|align="center"| {{Particella subatomica|Electron neutrino}}

|align="center"| {{sfrac|+|1|2}}

|style="background:#efefef"| [[Neutrino muonico]]

|align="center"| {{Particella subatomica|Muon neutrino}}

|align="center"| {{sfrac|+|1|2}}

|style="background:#efefef"| [[Neutrino tauonico]]

|align="center"| {{Particella subatomica|Tau neutrino}}

|align="center"| {{sfrac|+|1|2}}

|-

|style="background:#efefef"| [[Elettrone]]

|align="center"| {{Particella subatomica|Electron-}}

|align="center"| {{sfrac|&minus;|1|2}}

|style="background:#efefef"| [[Muone]]

|align="center"| {{Particella subatomica|Muon-}}

|align="center"| {{sfrac|&minus;|1|2}}

|style="background:#efefef"|[[Tauone]]

|align="center"| {{Particella subatomica|Tau-}}

|align="center"| {{sfrac|&minus;|1|2}}

|-

|style="background:#efefef"| [[Quark up]]

|align="center"| {{Particella subatomica|Up quark}}

|align="center"| {{sfrac|+|1|2}}

|style="background:#efefef"|[[Quark charm]]

|align="center"| {{Particella subatomica|Charm quark}}

|align="center"| {{sfrac|+|1|2}}

|style="background:#efefef"|[[Quark top]]

|align="center"| {{Particella subatomica|Top quark}}

|align="center"| {{sfrac|+|1|2}}

|-

|style="background:#efefef"|[[Quark down]]

|align="center"| {{Particella subatomica|Down quark}}

|align="center"| {{sfrac|&minus;|1|2}}

|style="background:#efefef"|[[Quark strange]]

|align="center"| {{Particella subatomica|Strange quark}}

|align="center"| {{sfrac|&minus;|1|2}}

|style="background:#efefef"|[[Quark bottom]]

|align="center"| {{Particella subatomica|Bottom quark}}

|align="center"| {{sfrac|&minus;|1|2}}

|}

Tutte le particelle hanno una proprietà detta [[isospin debole]] e indicata con <math>T_3</math>, che serve come numero quantico che regola le interazioni delle particelle con i bosoni {{Particella subatomica|W boson+- }} della forza debole. L'isospin debole gioca lo stesso ruolo che gioca la carica elettrica nell'elettromagnetismo, e la [[carica di colore]] nell'interazione forte; la grandezza equivalente per le interazioni con lo Z è detta carica debole. Tutti i fermioni sinistrorsi hanno isospin debole pari a {{sfrac|+|1|2}} o {{sfrac|&minus;|1|2}}; mentre tutti i fermioni destrorsi hanno isospin debole 0. Ad esempio, il quark up ha <math>T_3 = +1/2</math> mentre il quark down <math>T_3 = -1/2</math>. Un quark non decade mai debolmente in un quark con lo stesso <math>T_3</math>: i quark con <math>T_3=1/2</math> decadono in quark con <math>T_3=-1/2</math> e viceversa.

===Violazione della simmetria===

[[File:PiPlus muon decay.svg|thumb|Decadimento del {{Particella subatomica|Pion+}} tramite l'interazione debole]]

Si è a lungo pensato che le [[legge fisica|leggi della natura]] rimanessero le stesse sotto l'azione di quella che oggi è chiamata simmetria P, la quale consiste nell'invertire tutti gli assi spaziali (detto più banalmente, consiste nell'invertire la destra con la sinistra e viceversa). Si credeva che questa fosse una legge universale e dagli esperimenti risultava che le [[gravità|leggi della gravità]] e dell'[[elettromagnetismo]] la rispettavano: infatti, se di un apparato sperimentale che produce un determinato risultato si costruisce una copia identica, ma speculare, quest'ultima dovrebbe fornire lo stesso risultato del primo apparato. Ma, inaspettatamente, a metà degli anni cinquanta del XX secolo [[Cheng Ning Yang]] e [[Tsung-Dao Lee]] suggerirono che l'interazione debole potesse violare questa legge. La conferma a questa ipotesi giunse nel [[1957]], da esperimenti condotti da [[Chien Shiung Wu]] e collaboratori, facendo vincere, quello stesso anno, a Yang e Lee il [[premio Nobel per la fisica]].

In ogni interazione, l'isospin debole è conservato: la somma dei numeri di isospin delle particelle che entrano nell'interazione è uguale alla somma dei numeri delle particelle che escono da quell'interazione. Ad esempio, un {{Particella subatomica|Pion+}}, con isospin +1 normalmente decade in un {{Particella subatomica|Muon neutrino}} (con <math>T_3=+1/2</math><big>)</big> e {{Particella subatomica|Muon+}} ([[antiparticella]] con <math>T_3=+1/2</math>).<ref name=Cottingham-Greenwood-1986-2001>{{Cita libro|nome1=W.N. |cognome1=Cottingham |nome2=D.A. |cognome2=Greenwood |titolo=An introduction to nuclear physics | editore=Cambridge University Press |anno=2001 |edizione=2 | isbn=978-0-521-65733-4 | url=https://books.google.com/books?id=0VIpJPn-qWoC&pg=PA30}}</ref>

Per lo sviluppo della teoria elettrodebole, è stata creata una nuova quantità, detta [[ipercarica debole]], definita come:

Il [[Modello Standard]] della fisica delle particelle descrive la [[forza elettromagnetica]] e la forza nucleare debole come due aspetti differenti di una singola [[interazione elettrodebole|forza elettrodebole]], una teoria che fu sviluppata intorno al 1968 da [[Sheldon Glashow]], [[Abdus Salam]] e [[Steven Weinberg]], a cui venne assegnato il [[Premio Nobel per la fisica]] nel 1979 per i loro lavori.

:<math>Y_\text{W} = 2\,\left(\, Q - T_3 \,\right) ~,</math>

dove <math>Y_{\text{W}}</math> è l'ipercarica debole di una particella con carica elettrica <math>Q</math> (in unità di [[carica elementare]]) e isospin debole <math>T_3</math>. L'[[ipercarica debole]] è il generatore della componente [[U(1)]] del [[gruppo di gauge]] elettrodebole, mentre alcune particelle hanno un [[isospin debole]] di zero, tutte le [[Fermione|particelle con spin&nbsp;{{sfrac|1|2}}]] hanno un'ipercarica non nulla.<ref group="nb">Alcuni fermioni ipotizzati, come il ''[[neutrino sterile]]'', avrebbero ipercarica zero – in effetti, nessun tipo di carica di gauge. L'esistenza di questo tipo di particelle è ancora un attivo campo di ricerca.</ref>

== Tipi di interazione ==

Ci sono due tipi di interazione debole (chiamati, nel linguaggio del modello standard, vertici). Il primo tipo è chiamato "interazione a corrente carica" perché è mediata da particelle dotate di carica elettrica (i bosoni {{Particella subatomica|W boson+}} e {{Particella subatomica|W boson-}}). Essa è responsabile del [[decadimento beta]]. Il secondo tipo è chiamato "interazione a corrente neutra" perché è mediata da una particella neutra, il bosone&nbsp;{{Particella subatomica|Z boson0}}. È responsabile della (rara) deflessione dei [[neutrino|neutrini]]. I due tipi di interazione seguono [[Regola di selezione|regole di selezione]] differenti.

=== Interazione a corrente carica ===

[[File:Beta Negative Decay.svg|thumb|upright=1.4|[[Diagramma di Feynman]] che rappresenta il [[decadimento beta]] negativo: un [[neutrone]] "udd" si trasforma in un [[protone]] "udu" attraverso l'emissione di un bosone&nbsp;{{Particella subatomica|W boson-}}, che a sua volta si scinde in un [[elettrone]] e in un [[neutrino|antineutrino elettronico]]]]In un tipo di interazione a corrente carica, un [[leptone]] carico (ad esempio un [[elettrone]] o un [[muone]], aventi una carica di −1) possono assorbire un bosone&nbsp;{{Particella subatomica|W boson+}} (una particella con carica +1) e possono pertanto convertirsi nel corrispondente [[neutrino]] (con carica 0), dove il tipo ("sapore") di neutrino (elettronico, muonico o tauonico) dipende dal tipo di leptone nell'interazione, ad esempio:

:<math>\mu^-+ W^+\to \nu_\mu</math>

Similmente, un quark di tipo down (''d,'' con carica −{{frac|1|3}}) può essere convertito in un quark di tipo up (''u'', con carica +{{frac|2|3}}), emettendo un bosone&nbsp;{{Particella subatomica|W boson-}} o assorbendo un bosone&nbsp;{{Particella subatomica|W boson+}}. Più precisamente, il quark di tipo down diventa una sovrapposizione di quark di tipo up: questo vuol dire che ha una probabilità di diventare uno qualsiasi dei tre quark di tipo up, con le probabilità determinate dalla [[matrice CKM]]. Al contrario, un quark di tipo up può emettere un bosone&nbsp;{{Particella subatomica|W boson+}}, o assorbire un bosone {{Particella subatomica|W boson-}}, e pertanto essere convertito in un quark di tipo down, per esempio:

:<math>\begin{align}

d &\to u + W^- \\

d + W^+ &\to u \\

c &\to s + W^+ \\

c + W^- &\to s

\end{align}</math>

I bosoni&nbsp;W sono instabili, con una vita media molto breve, quindi decadranno rapidamente. Per esempio:

:<math>\begin{align}

W^- &\to e^- + \bar\nu_e~ \\

W^+ &\to e^+ + \nu_e~

\end{align}</math>

I bosoni&nbsp;W possono decadere, con probabilità variabili, anche in altri prodotti.<ref name="PDG2">{{cita pubblicazione|autore=K. Nakamura ''et al''. ([[Particle Data Group]]) |anno=2010 |titolo=Gauge and Higgs Bosons |url=http://pdg.lbl.gov/2010/tables/rpp2010-sum-gauge-higgs-bosons.pdf |rivista=[[Journal of Physics G]] |volume=37 |numero=7A |p=075021 | doi = 10.1088/0954-3899/37/7a/075021 |bibcode = 2010JPhG...37g5021N }}</ref>

Nel cosiddetto decadimento beta di un neutrone (in figura), un quark down all'interno del neutrone emette un bosone {{Particella subatomica|W boson-}} [[Particella virtuale|virtuale]] e si converte in un quark up, provocando la conversione del neutrone in un protone. A causa dell'energia coinvolta nel processo (ovvero la differenza di massa tra il quark down e il quark up), il bosone {{Particella subatomica|W boson-}} può convertirsi solamente in un elettrone e in un antineutrino elettronico.<ref name="PDG3">{{cita pubblicazione|autore=K. Nakamura ''et al''. ([[Particle Data Group]]) |anno=2010 |titolo=n |url=http://pdg.lbl.gov/2010/listings/rpp2010-list-n.pdf |rivista=[[Journal of Physics G]] |volume=37 |p=7|doi=10.1088/0954-3899/37/7a/075021|bibcode = 2010JPhG...37g5021N }}</ref> A livello dei quark il processo può essere rappresentato come segue:

:<math>d\to u+ e^- + \bar\nu_e~</math>

===Interazione a corrente neutra===

Nelle interazione a [[Corrente debole neutra|corrente (debole) neutra]], un [[Quark (particella)|quark]] o un [[leptone]] (ad esempio, un [[elettrone]] o un [[muone]]) emette o assorbe un bosone Z neutro. Per esempio:

:<math>e^-\to e^- + Z^0</math>

Come i bosoni&nbsp;{{Particella subatomica|W boson+-}}, anche il bosone&nbsp;{{Particella subatomica|Z boson0}} decade rapidamente,<ref name="PDG2"/> ad esempio:

:<math>Z^0\to b+\bar b</math>

A differenza dell'interazione a corrente carica, le cui regole di selezione sono strettamente limitate dalla chiralità, dalla carica elettrica, e dall'isospin debole /, l'interazione a corrente neutra portata dallo {{Particella subatomica|Z boson0}} può causare la deflessione di due fermioni qualunque del modello standard: sia particelle, sia antiparticelle, con qualsiasi carica elettrica, e con qualsiasi chiralità, anche se la forza dell'interazione varia.<ref group="nb">Gli unici fermioni con cui il bosone {{Particella subatomica|Z boson0}} ''non'' interagisce sono gli ipotetici [[Neutrino sterile|neutrini "sterili"]]: antineutrini levogiri e neutrini destrogiri. Sono chiamati "sterili" perché non interagirebbero con nessuna della particelle del modello standard, ma rimangono un'ipotesi: non c'è ancora alcuna prova della loro esistenza.</ref>

== Violazione delle simmetrie ==

=== Violazione della simmetria P ===

Si è a lungo pensato che le [[legge fisica|leggi della natura]] rimanessero le stesse sotto l'azione di quella che oggi è chiamata simmetria P o [[Parità (fisica)|parità]], la quale consiste nell'invertire tutti gli assi spaziali (detto più banalmente, consiste nell'invertire la destra con la sinistra e viceversa). Si credeva che questa fosse una legge universale e dagli esperimenti risultava che le [[gravità|leggi della gravità]] e dell'[[elettromagnetismo]] la rispettassero:<ref>{{Cita libro|nome=Charles W.|cognome=Carey|anno=2006|capitolo=Lee, Tsung-Dao|titolo=American scientists|url=https://archive.org/details/americanscientis00care|p=[https://archive.org/details/americanscientis00care/page/n239 225]|editore=Facts on File Inc.|isbn=9781438108070|urlcapitolo=https://books.google.com/books?id=00r9waSNv1cC&pg=PA225|via=Google Books}}</ref> infatti, se di un apparato sperimentale che produce un determinato risultato si costruisce una copia identica, ma speculare, quest'ultima dovrebbe fornire lo stesso risultato del primo apparato.

Nel [[1956]], [[Chen Ning Yang|Yang]] e [[Tsung-Dao Lee|Lee]] proposero che l'interazione debole potesse violare questa simmetria. Lee e Yang avanzarono questa ipotesi per spiegare il cosiddetto [[Puzzle τ–θ|puzzle θ - τ]] che coinvolgeva due particelle apparentemente identiche ma con modi di decadimento di cui uno violava la parità e uno no. Si scoprì infine che erano in realtà la stessa particella, poi identificata con il [[kaone]] carico.

La conferma sperimentale della violazione di parità giunse nel 1957, con l'[[esperimento di Wu]] e dei suoi collaboratori, facendo vincere, quello stesso anno, a Yang e Lee il [[premio Nobel per la fisica]].<ref>{{cita web|titolo=The Nobel Prize in Physics|anno=1957|sito=NobelPrize.org|editore=Nobel Media|url=http://nobelprize.org/nobel_prizes/physics/laureates/1957/|accesso=26 febbraio 2011}}</ref> Da questo esperimento, emerge come solo neutrini sinistrorsi e antineutrini destrorsi siano coinvolti nell'interazione debole. L'assenza di antineutrini sinistrorsi e neutrini destrorsi è una chiara violazione della parità. Ma anche la coniugazione di carica risulta violata, poiché essa dovrebbe trasformare un neutrino sinistrorso in un antineutrino sinistrorso, il quale però non è soggetto all'interazione debole.

Nel 1957, [[Robert Marshak]] e [[George Sudarshan]] e, poco dopo, [[Richard Feynman]] e [[Murray Gell-Mann]] proposero la [[lagrangiana]] ''V - A'' per includere la violazione di parità. In questa teoria, l'interazione debole agisce solo sulle [[particella (fisica)|particelle]] sinistrorse e sulle corrispondenti antiparticelle destrorse, grazie all'applicazione di un'operazione di sottrazione tra un [[Vettore (fisica)|vettore]] e un vettore assiale o sinistrorso. Per fermioni privi di massa, le interazioni ''V - A'' ("vettoriali meno assiali") conservano l'[[elicità]], perciò, nei processi che producono coppie di leptoni, essi emergono con elicità opposte. Invece, fermioni massivi non sono prodotti in stati puri di elicità, ma comunque gli esperimenti mostrano come elicità opposte siano favorite, uno su tutti il decadimento del pione carico, per il quale il canale

:<math>\pi^- \to e^-+ \nu_e</math>

è soppresso rispetto a:

:<math>\pi^- \to \mu^-+ \nu_{\mu}</math>.

=== Violazione di CP ===

Tuttavia, questa teoria permette la conservazione di una [[Simmetria CP|simmetria composta CP]], che combina la parità P e la [[coniugazione di carica]] C (lo scambio di una particella nella sua antiparticella). Nel 1964, [[James Cronin]] e [[Val Fitch]] presentarono prove evidenti di violazione della simmetria CP nei decadimenti dei kaoni, motivo per cui vinsero il premio Nobel nel 1980.<ref>{{cita web|titolo=The Nobel Prize in Physics|anno=1980|sito=NobelPrize.org|editore=Nobel Media|url=http://nobelprize.org/nobel_prizes/physics/laureates/1980/|accesso=26 febbraio 2011}}</ref> Nel 1973, [[Makoto Kobayashi (fisico)|Makoto Kobayashi]] e [[Toshihide Maskawa]] mostrarono che la violazione ''CP'' nell'interazione debole richiedeva più di due generazioni di particelle,<ref name="KM2">{{Cita pubblicazione|nome1=M.|cognome1=Kobayashi|nome2=T.|cognome2=Maskawa|anno=1973|titolo=CP-Violation in the Renormalizable Theory of Weak Interaction|rivista=[[Progress of Theoretical Physics]]|volume=49|numero=2|pp=652-657|doi=10.1143/PTP.49.652|bibcode=1973PThPh..49..652K|url=http://repository.kulib.kyoto-u.ac.jp/dspace/bitstream/2433/66179/1/49_652.pdf}}</ref> predicendo di fatto l'esistenza di una terza generazione allora ignota. Questa scoperta valse loro metà del premio Nobel del 2008.<ref>{{cita web|titolo=The Nobel Prize in Physics|anno=2008|sito=NobelPrize.org|editore=Nobel Media|url=http://nobelprize.org/nobel_prizes/physics/laureates/2008/|accesso=17 marzo 2011}}</ref>

A differenza della violazione di parità, la violazione CP avviene raramente. Per via di ciò, si crede che sia una ragione della presenza di maggior materia rispetto all'[[antimateria]], e costituisce una delle tre condizioni di [[Andrei Sakharov]] per la [[bariogenesi]].<ref name=":0">

{{Cita libro|autore=Paul Langacker |capitolo=CP violation and cosmology |curatore=Jarlskog |anno=2001 |titolo=CP Violation |p=552 |città=London, River Edge |editore=World Scientific Publishing Co. |isbn=9789971505615 |url=https://books.google.com/books?id=U5TC5DSWOmIC}}</ref>

<!--

Tuttavia, la costante di accoppiamento risulta lievemente diversa se calcolata a partire dal decadimento beta o da altri decadimenti che coinvolgono adroni. Un altro fatto inspiegato dell'interazione debole era la soppressione di decadimenti con variazione di [[stranezza]], rispetto a quelli a stranezza costante.

La soluzione a entrambe le problematiche viene dalla teoria di [[Nicola Cabibbo|Cabibbo]], secondo cui i quark <math>d</math> e <math>s</math> che partecipano all'interazione debole non sono da considerarsi puri stati di sapore, ma sono invece ruotati di un angolo di mixing, detto [[angolo di Cabibbo]] <math>\theta_c</math>. Quindi i quark (all'epoca noti) che partecipano all'interazione debole sono raggruppati nel doppietto:

:<math>u, \quad d \cos\theta_c+s \sin\theta_c</math>

Dunque, la costante di accoppiamento è la stessa per quark e leptoni, solo che per alcuni decadimenti (quelli senza variazione di stranezza) l'accoppiamento effettivo sarà <math>G\cos\theta_c</math>, mentre, per le transizioni con variazione di stranezza l'accoppiamento sarà <math>G\sin\theta_c</math>.

Il modello di Cabibbo prevede anche l'esistenza di processi di [[Flavour-changing neutral current|corrente neutra con cambiamento di sapore]], tuttavia mai osservati. Per spiegare la soppressione di questo tipo di transizioni, [[Sheldon Lee Glashow|Glashow]], [[John Iliopoulos|Iliopoulos]] e [[Luciano Maiani|Maiani]] propongono nel [[1970]] il cosiddetto [[meccanismo GIM]], che comporta una modifica dei doppietti dovuta all'introduzione teorica di un nuovo quark, il [[quark charm]], che sarà individuato sperimentalmente solo 4 anni dopo, tramite l'osservazione del [[mesone J/Psi]].

L'estensione della teoria di Cabibbo a tre famiglie di quark si deve a [[Makoto Kobayashi (fisico)|Kobayashi]] e [[Toshihide Maskawa|Maskawa]]. Nel [[1973]], introducono la cosiddetta [[matrice CKM]], i cui elementi descrivono come gli stati di quark liberi si "mescolino" (mixing) negli stati di sapore. Per tre famiglie di quark, la matrice CKM è composta da 9 elementi, rappresentabili con quattro parametri: 3 angoli reali e una fase complessa, la quale introduce la possibilità di una violazione della [[simmetria CPT|simmetria temporale]] da parte dell'interazione debole. Per il teorema di conservazione CPT, ciò implica che la teoria debole per tre (o più) famiglie di quark ammette la violazione del prodotto CP.

Questo permette di includere nella teoria le osservazioni effettuate nel [[1964]] da [[James Cronin|Cronin]] e [[Val Fitch|Fitch]] sul decadimento dei kaoni neutri, ciascuno dei quali può decadere in stati finali con CP-parità opposta. Gli effetti di questa violazione sono minori rispetto a quelli della sola simmetria P e valsero ai due fisici il premio Nobel nel [[1980]].

La scoperta del [[quark bottom]] nel [[1977]] conferma l'esistenza della terza famiglia di quark, che sarà completata solo nel [[1995]], con l'identificazione del [[quark top]]. -->

== La teoria elettrodebole ==

Il [[Modello Standard]] descrive la [[forza elettromagnetica]] e l'interazione debole come due aspetti di una medesima forza, l'[[interazione elettrodebole]], la cui descrizione teorica è stata formulata intorno al [[1968]] da [[Sheldon Glashow|Glashow]], [[Abdus Salam|Salam]] e [[Steven Weinberg|Weinberg]], i quali ricevettero per tale lavoro il [[premio Nobel per la fisica]] nel [[1979]].

Secondo la teoria elettrodebole, ad energie molto alte, verificatesi per pochi istanti dopo il [[Big Bang]], l'[[universo]] possiede quattro [[Campo vettoriale|campi vettoriali]] relativi a un'unica [[forza elettrodebole]], espressi da quattro [[bosoni di gauge]] privi di [[Massa (fisica)|massa]], e un [[Campo (fisica)|campo]] [[Grandezza scalare|scalare]] detto [[campo di Higgs]]. Al di sotto di un certo livello di energia, il [[meccanismo di Higgs]] determina per il campo di Higgs una [[rottura spontanea di simmetria]], che produce tre [[bosone di Goldstone|bosoni di Goldstone]], i quali vengono assimilati da tre dei quattro campi elettrodeboli, fornendo loro la massa. I tre campi massivi diventano i [[bosoni W e Z]] dell'interazione debole, mentre il quarto conserva le caratteristiche iniziali ancora presenti nell'universo attuale, ed è il campo privo di massa del [[fotone]] responsabile dell'[[elettromagnetismo]].

La teoria funziona molto bene e ha permesso la formulazione di predizioni che si sono poi dimostrate vere: una di queste è la stima della massa del [[Bosoni W e Z|bosone Z]]. La predizione più attesa e ormai verificata è quella relativa all'esistenza del [[bosone di Higgs]], che rappresentava uno degli scopi per cui il [[Large Hadron Collider]] del [[CERN]] è stato costruito.

== Note ==

<references />

=== Approfondimenti ===

<references group="nb"/>

== Bibliografia ==

*{{Cita libro|autore=F. Haltzen|autore2=A. D. Martin|titolo=Quark and Leptons|anno=1984|editore=Wiley|lingua=en}}

*{{Cita libro|autore=D. Perkins|titolo=Introduction to High Energy Physics|anno=2000|editore=Addison-Wesley|lingua=en}}

*{{Cita libro|autore=B. Pohv|autore2=K. Rith|autore3=C. Scholz|titolo=Particelle e Nuclei|anno=1998|editore=Bollati Boringhieri|autore4=F. Zetsche}}

== Voci correlate ==

* [[Forza nucleareInterazione forte]]

* [[quark_Quark (particella)|Quark]]

* [[Gluone]]

* [[Gravità quantistica]]

* [[Costanti di accoppiamento]]

* [[Bosone vettore]]

* [[Bosoni W e Z]]

* [[Bosone di Higgs]]

== Altri progetti ==

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== Collegamenti esterni ==

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