La forza debole è una delle quattro forze fondamentali che governano tutta la materia nell'universo. Gli altri tre sono la gravità, l'elettromagnetismo e la forza forte. Mentre altre forze tengono insieme le cose, una forza debole gioca un ruolo importante nel romperle.
La forza debole è più forte della gravità, ma è efficace solo a distanze molto piccole. La Forza opera a livello subatomico e svolge un ruolo fondamentale nel fornire energia alle stelle e nella creazione degli elementi. È anche responsabile della maggior parte della radiazione naturale nell'universo.
Teoria di Fermi
Il fisico italiano Enrico Fermi sviluppò una teoria nel 1933 per spiegare il decadimento beta, il processo di conversione di un neutrone in un protone e di espulsione di un elettrone, spesso indicato in questo contesto come particella beta. Identificò un nuovo tipo di forza, la cosiddetta forza debole, responsabile del decadimento, il processo fondamentale di trasformazione di un neutrone in un protone, un neutrino e un elettrone, che fu poi identificato come antineutrino.
Fermi originariamentepresupponeva che ci fosse distanza e adesione zero. Le due particelle dovevano essere in contatto affinché la forza funzionasse. Da allora è stato rivelato che la forza debole è in re altà una forza attrattiva che si manifesta su una distanza estremamente breve, pari allo 0,1% del diametro di un protone.
Forza elettrofrequenza
Nei decadimenti radioattivi, la forza debole è circa 100.000 volte inferiore alla forza elettromagnetica. Tuttavia, ora è noto che è intrinsecamente uguale a quello elettromagnetico e si pensa che questi due fenomeni apparentemente distinti siano manifestazioni di un'unica forza elettrodebole. Ciò è confermato dal fatto che si combinano a energie superiori a 100 GeV.
A volte si dice che l'interazione debole si manifesta nel decadimento delle molecole. Tuttavia, le forze intermolecolari sono di natura elettrostatica. Sono stati scoperti da van der Waals e portano il suo nome.
Modello standard
La debole interazione in fisica fa parte del modello standard, la teoria delle particelle elementari, che descrive la struttura fondamentale della materia utilizzando un insieme di eleganti equazioni. Secondo questo modello, le particelle elementari, cioè quelle che non possono essere divise in parti più piccole, sono i mattoni dell'universo.
Una di queste particelle è il quark. Gli scienziati non presumono l'esistenza di niente di meno, ma stanno ancora cercando. Esistono 6 tipi o varietà di quark. Mettiamoli in ordineaumento di massa:
- in alto;
- inferiore;
- strano;
- incantato;
- adorabile;
- vero.
In varie combinazioni, formano molti diversi tipi di particelle subatomiche. Ad esempio, protoni e neutroni - grandi particelle del nucleo atomico - sono costituiti ciascuno da tre quark. I primi due e il basso formano un protone. Quello superiore e due inferiori formano un neutrone. Cambiare il tipo di quark può trasformare un protone in un neutrone, trasformando così un elemento in un altro.
Un altro tipo di particelle elementari è un bosone. Queste particelle sono vettori di interazione, che consistono in fasci di energia. I fotoni sono un tipo di bosone, i gluoni un altro. Ognuna di queste quattro forze è il risultato di uno scambio di vettori di interazione. L'interazione forte è svolta dal gluone e l'interazione elettromagnetica dal fotone. Il gravitone è teoricamente il portatore di gravità, ma non è stato trovato.
Bosoni W e Z
L'interazione debole è trasportata dai bosoni W e Z. Queste particelle furono previste dai premi Nobel Steven Weinberg, Sheldon Salam e Abdus Gleshow negli anni '60 e scoperte nel 1983 presso l'Organizzazione europea per la ricerca nucleare CERN.
I bosoni W sono caricati elettricamente e sono indicati dai simboli W+ (caricati positivamente) e W- (caricati negativamente). Il bosone W cambia la composizione delle particelle. Emettendo un bosone W caricato elettricamente, la forza debole cambia il tipo di quark, formando un protonein un neutrone o viceversa. Questo è ciò che provoca la fusione nucleare e fa bruciare le stelle.
Questa reazione crea elementi più pesanti che alla fine vengono lanciati nello spazio dalle esplosioni di supernova per diventare gli elementi costitutivi di pianeti, piante, persone e qualsiasi altra cosa sulla Terra.
Corrente neutra
Il bosone Z è neutro e trasporta una debole corrente neutra. La sua interazione con le particelle è difficile da rilevare. Le ricerche sperimentali sui bosoni W e Z negli anni '60 hanno portato gli scienziati a una teoria che combina le forze elettromagnetiche e deboli in un unico "elettrodebole". Tuttavia, la teoria richiedeva che le particelle di trasporto fossero prive di peso e gli scienziati sapevano che teoricamente il bosone W avrebbe dovuto essere pesante per spiegare il suo corto raggio. I teorici hanno attribuito la massa W a un meccanismo invisibile chiamato meccanismo di Higgs, che prevede l'esistenza del bosone di Higgs.
Nel 2012, il CERN ha riferito che gli scienziati che utilizzavano il più grande acceleratore del mondo, il Large Hadron Collider, avevano osservato una nuova particella "corrispondente al bosone di Higgs".
Decadimento beta
L'interazione debole si manifesta nel β-decadimento, il processo in cui un protone si trasforma in un neutrone e viceversa. Si verifica quando, in un nucleo con troppi neutroni o protoni, uno di essi viene convertito in un altro.
Il decadimento beta può verificarsi in due modi:
- In decadimento beta negativo, a volte scritto comeβ− -decadimento, il neutrone si divide in un protone, un antineutrino e un elettrone.
- Debole interazione si manifesta nel decadimento dei nuclei atomici, a volte scritto come β+-decadimento, quando un protone si divide in un neutrone, neutrino e positrone.
Uno degli elementi può trasformarsi in un altro quando uno dei suoi neutroni si trasforma spontaneamente in un protone attraverso il decadimento beta negativo, o quando uno dei suoi protoni si trasforma spontaneamente in un neutrone attraverso β+-decadimento.
Il doppio decadimento beta si verifica quando 2 protoni nel nucleo vengono trasformati simultaneamente in 2 neutroni o viceversa, determinando l'emissione di 2 elettroni-antineutrini e 2 particelle beta. In un ipotetico doppio decadimento beta senza neutrini, i neutrini non vengono prodotti.
Acquisizione elettronica
Un protone può trasformarsi in un neutrone attraverso un processo chiamato cattura di elettroni o K-capture. Quando il nucleo ha un numero eccessivo di protoni rispetto al numero di neutroni, l'elettrone, di regola, dal guscio elettronico interno sembra cadere nel nucleo. L'elettrone dell'orbitale viene catturato dal nucleo genitore, i cui prodotti sono il nucleo figlio e il neutrino. Il numero atomico del nucleo figlio risultante diminuisce di 1, ma il numero totale di protoni e neutroni rimane lo stesso.
Reazione di fusione
La forza debole è coinvolta nella fusione nucleare, la reazione che alimenta il sole e le bombe a fusione (idrogeno).
Il primo passo nella fusione dell'idrogeno è la collisione di dueprotoni con forza sufficiente per superare la repulsione reciproca che sperimentano a causa della loro interazione elettromagnetica.
Se entrambe le particelle sono poste una vicino all' altra, una forte interazione può legarle. Questo crea una forma instabile di elio (2He), che ha un nucleo con due protoni, al contrario della forma stabile (4He), che ha due neutroni e due protoni.
Il passo successivo è l'interazione debole. A causa di un eccesso di protoni, uno di questi subisce un decadimento beta. Successivamente, altre reazioni, inclusa la formazione intermedia e la fusione 3He, alla fine formano uno stabile 4He.
