Interazione debole
La forza nucleare debole, spesso definita anche interazione debole, è una delle quattro interazioni fondamentali della natura, secondo la fisica nucleare.
Proprietà
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 bosoni vettori W± e 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 sinistrorsi e quarks, essa è l’unica dalle quattro forze, se si esclude la gravità - trascurabile negli esperimenti di laboratorio - che interviene sui neutrini.
Ma la forza nucleare debole possiede peculiarità ulteriori:
- è l'unica delle interazioni a provocare un cambiamento nella carica di sapore;
- è l'unica a violare la simmetria di parità P, agendo sulle sole particelle levogire. Viola inoltre la simmetria CP;
- è mediata da bosoni di gauge particolarmente massivi. Nel Modello Standard questo insolito aspetto è descritto dal meccanismo di Higgs.
Proprio a causa della grande massa delle particelle che trasmettono questa forza (corrispondente a circa 90 GeV/c2), la vita media dei bosoni W e Z è di 3 × 10-27 secondi. Questo aspetto limita considerevolmente, anche considerando la 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.
Dinamica del decadimento beta
Essendo una forza così debole e avendo un raggio di azione così corto, se comparata con le altre 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 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 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-, che decade a sua volta, poco dopo, in un elettrone ad alta energia e in un antineutrino elettronico. È ciò che si chiama decadimento beta negativo.
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.
Tipi di interazione
Esistono tre tipologie di interazione debole: due di esse coinvolgono i bosoni carichi elettricamente, i bosoni W- e W+, e sono chiamate interazioni a corrente carica; il terzo tipo, mediato dalla particella Z0, è detta interazione a corrente neutra. Ecco, con alcuni esempi, le dinamiche dei vari tipi di interazione:
- 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 -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.
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 esperimenti di collisione tra particelle nel 1983.
Violazione della simetria
Si è a lungo pensato che le 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 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.
Il Modello Standard della fisica delle particelle descrive la forza elettromagnetica e la forza nucleare debole come due aspetti differenti di una singola 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.
