Interacción débil
La interacción débil es una de las cuatro fuerzas fundamentales de la naturaleza. Para los neutrinos es la única que desempeña un papel — y por eso la razón de que estas partículas sean tan difíciles de atrapar.
Cuatro fuerzas, una competencia
La gravedad mantiene a los planetas en sus órbitas. El electromagnetismo liga los electrones a los núcleos. La interacción fuerte mantiene unidos los núcleos atómicos.
La interacción débil hace otra cosa: transforma unas partículas en otras. Convierte un neutrón en un protón, un muón en un electrón, un quark en otro.
Es así la única fuerza capaz de cambiar la identidad de una partícula. Todas las demás empujan, tiran o ligan — esta transforma.
Un neutrino no lleva carga eléctrica ni carga de color. Para el electromagnetismo y la fuerza fuerte es invisible. Queda únicamente la interacción débil — y la gravedad, que con una masa tan pequeña carece de importancia.
Por qué el Sol arde despacio
El servicio más importante de esta fuerza es al mismo tiempo el más discreto.
El primer paso de la fusión nuclear en el Sol consiste en que dos protones se fusionan en un núcleo de deuterio. Para ello, uno de los dos debe convertirse en un neutrón — un proceso de la interacción débil.
Y porque esta fuerza es tan lenta, eso tarda. Un solo protón en el núcleo solar espera por término medio miles de millones de años hasta que ese paso se logra, aunque choca sin cesar con otros protones.
Precisamente esa lentitud hace del Sol una central eléctrica en lugar de una bomba. Si la interacción débil fuera más intensa, el Sol se habría consumido hace mucho — y nunca habría habido tiempo para la vida.
Por qué es débil
El nombre induce a error. La intensidad de acoplamiento de la fuerza débil no es en absoluto tan pequeña. Lo que la hace parecer débil es la masa de sus partículas mediadoras.
Las fuerzas se transmiten mediante partículas de intercambio. En el electromagnetismo esa partícula es el fotón sin masa, cuyo alcance es arbitrariamente grande. En la interacción débil son los bosones W y Z, unas ochenta veces más pesados que un protón.
Una partícula de intercambio tan pesada solo puede existir durante un lapso de tiempo ínfimo y, en consecuencia, apenas llega lejos. El alcance se sitúa en torno a 10⁻¹⁸ metros — una milésima del diámetro del protón.
Dos partículas deben, pues, acercarse extraordinariamente para que ocurra algo. Justo eso es lo que hace tan pequeña la sección eficaz.
A energías muy altas esta desventaja pierde peso. Allí la fuerza débil llega a ser efectivamente comparable en intensidad al electromagnetismo — lo que no es casualidad, sino la razón de su unificación.
Dos clases de procesos
Las corrientes cargadas transcurren a través de los bosones W. En ellas una partícula cambia de identidad: un neutrino electrónico se convierte en un electrón, un neutrón en un protón.
Las corrientes neutras transcurren a través del bosón Z. Aquí cada partícula sigue siendo lo que es; solo se transfieren energía e impulso. Estos procesos se descubrieron en 1973 con la cámara de burbujas Gargamelle.
La diferencia es decisiva para la detección. Como solo los neutrinos electrónicos reaccionan con la materia ordinaria mediante corrientes cargadas, mientras que las corrientes neutras están abiertas a todas las especies, el Sudbury Neutrino Observatory pudo comparar ambos canales entre sí — y resolver así el problema de los neutrinos solares.
La particularidad: izquierda y derecha
La interacción débil es la única fuerza que distingue entre izquierda y derecha. Actúa solo sobre partículas levógiras y antipartículas dextrógiras.
Quien lo demostró en 1956 fue Chien-Shiung Wu. La consecuencia para el neutrino la describe la página dedicada a la helicidad.
Esta unilateralidad no está explicada hasta hoy. No se sigue de ningún principio más profundo, sino que es una propiedad medida que hay que incorporar a la teoría — uno de los pocos puntos en los que el modelo estándar simplemente describe en lugar de fundamentar.
Unificación
En la década de 1960, Glashow, Salam y Weinberg mostraron que la interacción débil y el electromagnetismo son dos caras de la misma cosa. A energías muy altas se funden en la interacción electrodébil.
Que hoy nos parezcan tan distintos se debe al mecanismo de Higgs: da a los bosones W y Z su masa y deja el fotón sin masa. De una única fuerza surgen así dos que difícilmente podrían actuar de manera más distinta — una de alcance infinito, otra de alcance casi nulo.
Términos relacionados
- Bosones W y Z — las partículas mediadoras
- Sección eficaz — por qué ocurre tan poco
- Helicidad — la quiralidad
- Gargamelle — la detección de las corrientes neutras
Fuentes
- S. Weinberg: A Model of Leptons, Physical Review Letters 19, 1264 (1967).
- Particle Data Group: Review of Particle Physics, sección Electroweak Model.