Interação fraca
A interação fraca é uma das quatro forças fundamentais da natureza. Para os neutrinos ela é a única que desempenha um papel — e por isso a razão pela qual essas partículas são tão difíceis de capturar.
Quatro forças, uma competência
A gravidade mantém os planetas em suas órbitas. O eletromagnetismo liga elétrons a núcleos. A interação forte mantém os núcleos atômicos unidos.
A interação fraca faz outra coisa: ela transforma partículas umas nas outras. Ela faz de um nêutron um próton, de um múon um elétron, de um quark outro.
Ela é assim a única força que pode alterar a identidade de uma partícula. Todas as outras empurram, puxam ou ligam — esta transforma.
Um neutrino não carrega carga elétrica nem carga de cor. Para o eletromagnetismo e a força forte ele é invisível. Resta apenas a interação fraca — e a gravidade, que com massa tão pequena é sem importância.
Por que o Sol queima devagar
O mais importante serviço dessa força é ao mesmo tempo o mais discreto.
O primeiro passo da fusão nuclear no Sol consiste em que dois prótons se fundem em um núcleo de deutério. Para isso um dos dois precisa transformar-se em um nêutron — um processo da interação fraca.
E porque essa força é tão lenta, isso demora. Um único próton no núcleo solar espera em média bilhões de anos até que esse passo dê certo, embora colida incessantemente com outros prótons.
Precisamente essa lentidão faz do Sol uma usina em vez de uma bomba. Se a interação fraca fosse mais forte, o Sol há muito estaria consumido — e nunca teria havido tempo para a vida.
Por que ela é fraca
O nome induz ao erro. A intensidade de acoplamento da força fraca não é nada pequena. O que a faz parecer fraca é a massa de suas partículas mediadoras.
As forças são transmitidas por partículas de troca. No eletromagnetismo esse é o fóton sem massa, que alcança qualquer distância. Na interação fraca são os bósons W e Z, cerca de oitenta vezes mais pesados que um próton.
Uma partícula de troca tão pesada só pode existir por um intervalo de tempo minúsculo e correspondentemente mal chega longe. O alcance situa-se em torno de 10⁻¹⁸ metros — um milésimo do diâmetro do próton.
Duas partículas devem, portanto, aproximar-se extraordinariamente para que algo aconteça. Precisamente isso torna a seção de choque tão pequena.
Em energias muito altas essa desvantagem perde peso. Ali a força fraca torna-se de fato comparável em intensidade ao eletromagnetismo — o que não é acaso, mas a razão de sua unificação.
Dois tipos de processo
As correntes carregadas correm por bósons W. Nelas uma partícula muda sua identidade: um neutrino do elétron torna-se um elétron, um nêutron torna-se um próton.
As correntes neutras correm pelo bóson Z. Aqui cada partícula permanece o que é; apenas energia e momento são transferidos. Esses processos foram descobertos em 1973 com a câmara de bolhas Gargamelle.
A diferença é decisiva para a detecção. Como somente os neutrinos do elétron reagem com a matéria comum por correntes carregadas, ao passo que as correntes neutras estão abertas a todas as espécies, o Sudbury Neutrino Observatory pôde comparar os dois canais entre si — e assim resolver o problema dos neutrinos solares.
A peculiaridade: esquerda e direita
A interação fraca é a única força que distingue entre esquerda e direita. Ela atua apenas sobre partículas levógiras e antipartículas dextrógiras.
Isso foi demonstrado em 1956 por Chien-Shiung Wu. A consequência para o neutrino é descrita pela página sobre a helicidade.
Essa unilateralidade não está explicada até hoje. Ela não decorre de nenhum princípio mais profundo, mas é uma propriedade medida que se precisa embutir na teoria — um dos poucos pontos em que o Modelo Padrão simplesmente descreve em vez de fundamentar.
Unificação
Nos anos 1960 Glashow, Salam e Weinberg mostraram que a interação fraca e o eletromagnetismo são dois lados da mesma coisa. Em energias muito altas eles se fundem na interação eletrofraca.
Que hoje eles nos pareçam tão diferentes deve-se ao mecanismo de Higgs: ele dá aos bósons W e Z sua massa e deixa o fóton sem massa. De uma única força tornam-se assim duas que dificilmente poderiam atuar de modo mais distinto — uma com alcance infinito, uma com quase nenhum.
Termos relacionados
- Bósons W e Z — as partículas mediadoras
- Seção de choque — por que tão pouco acontece
- Helicidade — a quiralidade
- Gargamelle — a detecção das correntes neutras
Fontes
- S. Weinberg: A Model of Leptons, Physical Review Letters 19, 1264 (1967).
- Particle Data Group: Review of Particle Physics, seção Electroweak Model.