Interacción Nuclear Débil

       La fuerza nuclear débil es una interacción que forma parte de las cuatro fuerzas fundamentales de la naturaleza. En el modelo estándar de la física de partículas, ésta se debe al intercambio de los bosones W y Z, que son muy fuertes. El efecto más interacción que representa, es más fuerte que la gravitación a cortas distancias.

         Según Torres (2007), un protón se puede convertir en un neutrón, además señala que, en el sol este proceso ocurre muchísimas veces cada segundo, pero se pregunta el autor, “¿cómo puede ocurrir esto?”, ante dicha pregunta él mismo responde lo siguiente:

Para entender mejor cómo un protón (que tiene carga eléctrica positiva) se convierte en un neutrón (que no tiene carga) conviene examinar los quarks que componen al protón y al neutrón. Un protón está hecho de 2 quarks de tipo U y 1 quark de tipo D. Un neutrón está hecho de 1 quark de tipo U y 2 quarks de tipo D.

      Para ilustrar la diferencia entre el protón y el neutrón, se transcribe la representación que hace Torres:

ImagenN° 1. Protón y Neutrón.

Imagen N° 2. Protón y Mesón pi.

       Continúa Torres con la pregunta: ¿Cuál es la diferencia entre el protón y el neutrón?, a lo que él mismo añade la siguiente respuesta:

                Basta con cambiar un quark tipo U a uno tipo D. Pues justamente esto es lo                           que ocurre en la naturaleza cuando entra en acción la fuerza nuclear débil.                            Un quark tipo U cambia a uno tipo D por medio de la interacción débil.

      También podemos ver un vídeo explicativo de la fuerza nuclear fuerte y débil, en el siguiente enlace:

       Barranco y Mondragón señalan que la pregunta: ¿de qué está hecho el universo? no se podía resolver de manera general. Se tuvieron que invertir incontables horas de trabajo donde colaboraron una larguísima serie de científicos que incluye a Dalton, Mendeleiev, Rutherford, Thomson, Einstein, Bohr, Dirac, Schrödinger, Heisenberg, Feynman, Fermi, Gell-Mann, Glashow, Salam, Weinberg, Lederman, Higgs, Yang, Mills y muchos más, antes de poder contestarla. Ahora se tiene una teoría, conocida como el ME, que es capaz de abordar a la pregunta general y lo que es más, esa teoría es capaz de hacer predicciones con una precisión de 1 en 100 mil millones. Sin entrar en detalles técnicos, de acuerdo al ME, la materia está constituida por partículas elementales, es decir, hasta las escalas de energía alcanzada por los aceleradores actuales, partículas indivisibles y sin estructura interna. Estas partículas elementales se dividen en quarks, leptones y bosones intermediarios (p. 5).

       Finalmente hay doce bosones intermediarios que son los responsables de transmitir las interacciones fundamentales (sin incluir a la gravedad) entre los quarks y los leptones. Existen cuatro interacciones fundamentales de la naturaleza que actúan sobre los quarks y los leptones:

1. La fuerza fuerte que, entre otras cosas, mantiene a los quarks unidos para que formen a los protones y a los neutrones. Los bosones responsables de transmitir esta interacción son 8 gluones.

2. La débil, que es la responsable del decaimiento de los núcleos. Los bosones asociados son los bosones w (uno positivo y su antipartícula que es negativa) y un bosón neutro llamado z.

3. La electromagnética producida por el intercambio de fotones.

4. La gravitacional. A este nivel la gravedad no juega un rol importante y es por ello que puede ser despreciada sin pérdida de generalidad. 

       Para comprender mejor este asunto de los bosones podemos recurrir a la comparación que hacen Barranco y Mondragón:

Sin entrar en mucho detalle, él ME es una teoría cuántica de campos que describe las interacciones entre los leptones y los quarks a través del intercambio de bosones intermediarios. Una imagen caricaturizada es la siguiente: imaginemos que vemos a dos tenistas desde una altura considerable. Observamos que ambos jugadores se mueven de manera muy curiosa y al parecer sin ningún orden. Sin embargo, a medida que nos acercamos a los jugadores veremos que entre ellos intercambian una pelota, que es la responsable de que se muevan de la manera que vimos anteriormente. De forma similar, las partículas elementales interactúan intercambiando una partícula entre ellas a la cual llamamos bosón intermediario. Para la interacción fuerte, por ejemplo, los intermediarios son los gluones (del inglés glue: pegamento), para la fuerza débil son los bosones w y el z y para la electromagnética el fotón. Siguiendo con la analogía, nuestros tenistas se pueden agrupar a su vez en dos bandos: los hadrones y los leptones. Los primeros son principalmente sensibles a la interacción fuerte, y los leptones a la débil (p. 6 ).

       La comparación de Barranco y Mondragón continúa explicando que:

Este modelo que brevemente hemos esquematizado necesita además de una partícula extra conocida como el bosón de Higgs. La necesidad de dicha partícula radica en el hecho de que todos los bosones intermediarios y partículas tendrían masa nula en el modelo con simetrías exactas. Sin embargo, la evidencia experimental requiere que al menos los bosones intermediarios de las interacciones débiles sean masivos para poder ajustar los datos observados, sin mencionar la clara observación cotidiana de que los protones, electrones y toda la materia que conocemos tienen masa. Para inducir esa masa se requiere que haya un rompimiento espontáneo de una parte del grupo de simetrías del modelo. El responsable de dicho rompimiento, y por ende el generador de la masa de los bosones w y z, es una partícula de espín cero que es precisamente nuestro llamado bosón de Higgs (p. 6).

       Sin embargo el citado Bosón de Higgs es lo que buscan con el proyecto referido por Barranco y Mondragón, dicho proyecto lo han llamado el Gran colisionador de hadrones (LHC), consideran los autores que:

Si el ME es la teoría última de las partículas elementales (si se descubre el Higgs tal y como se predice, con su valor esperado de masa y demás propiedades) entonces el LHC marcará el momento de encarar el verdadero problema de saber sí el conocimiento de los componentes básicos de la naturaleza permitirá construir un entendimiento del sistema total. Es decir, sí podremos entender el día a día del mundo con las leyes e interacciones fundamentales. Por otra parte, y siguiendo la filosofía de que aparecen propiedades nuevas e inesperadas cuando (p. 11).

Imagen N° 3. Interacción nuclear débil.