Interazione debole

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In fisica l'interazione debole (chiamata anche per ragioni storiche forza debole o forza nucleare debole) è una delle quattro interazioni fondamentali della natura.

L'interazione debole può avvenire tra leptoni e quark (interazioni semileptoniche), tra soli leptoni (interazioni leptoniche) o tra soli quark (interazioni non leptoniche), grazie allo scambio di bosoni vettori molto massivi detti W± e Z0. Poiché tutti i leptoni sono interessati dagli effetti dell'interazione debole, essa è la sola forza che negli esperimenti di laboratorio interviene sui neutrini, per i quali la gravità è trascurabile.

La forza debole è responsabile del decadimento beta dei nuclei atomici, associato alla radioattività, per il quale un neutrone si trasforma in un protone con l'emissione di elettroni (radiazione beta) e neutrini.

L'interazione debole è unificata a quella elettromagnetica nella teoria elettrodebole, secondo la quale esse sono due diverse manifestazioni di un'unica interazione, detta appunto elettrodebole.

Tipi di interazione[modifica | modifica sorgente]

Esistono due tipologie di interazione debole: una coinvolge i bosoni carichi elettricamente, W- e W+, ed è chiamata interazione a corrente carica; il secondo tipo, mediato dalla particella Z0, è detto interazione a corrente neutra. Ecco alcuni esempi delle 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, ma con andamento simile, un quark up può cambiare in un quark down. L'esatto contenuto di questa sovrapposizione 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 di neutrini su nuclei nel 1973 al CERN, confermando le previsioni del modello unificato della teoria elettrodebole.

Proprietà[modifica | modifica sorgente]

L'interazione debole è l'unica a provocare un cambiamento nella carica di sapore delle particelle coinvolte, ed è anche l'unica a violare la simmetria di parità P (in quanto agisce sulle sole particelle levogire), la simmetria di carica C e anche il loro prodotto, ovvero la simmetria CP.

Poiché è mediata da bosoni di gauge particolarmente massivi, l'interazione debole ha un raggio dell'interazione molto ridotto e dunque è caratterizzata da decadimenti molto lenti. Proprio a causa della grande massa di W e Z (circa 80 e 90 GeV/c²), la vita media di questi bosoni è di 3 × 10-25 secondi. Questo aspetto limita considerevolmente il raggio d'azione dell'interazione debole, che risulta così di 10-18 metri, circa mille volte più piccolo del diametro del nucleo atomico. La debole intensità dell'interazione debole fa sì che i decadimenti in cui è coinvolta siano più lenti di quelli elettromagnetici (che hanno tempi tipici di decadimento dell'ordine di 10-16 secondi) o di quelli relativi all'interazione forte (con tempi di decadimento dell'ordine di 10-23 secondi). Ad esempio, un pione neutro decade elettromagneticamente in due fotoni in 10-16 secondi, mentre un pione carico subisce un decadimento debole in 10-8 secondi, un tempo cento milioni di volte più lungo. Perciò, sebbene tutti gli adroni e i leptoni sperimentino l'interazione debole e dunque possano decadere debolmente, spesso seguono i più rapidi decadimenti di tipo forte o elettromagnetico. Questo però non può accadere ad esempio per il già citato pione carico che, essendo il più leggero tra gli adroni, non può avere un decadimento non-leptonico e, per la conservazione della carica elettrica, non può decadere in due fotoni come la sua controparte neutra. In questo modo si spiega anche la lunga vita media di un neutrone libero (circa 15 minuti): esso decade beta in protone, elettrone e antineutrino elettronico. Invece il decadimento di un protone libero in neutrone, positrone e neutrino elettronico è proibito da ragioni di massa.

Analizzando dal punto di vista dei quark il decadimento del neutrone, si vede come questo comporti un cambiamento di sapore tra i quark coinvolti. Il neutrone contiene un quark di sapore up e due di sapore down, mentre il protone contiene due quark up e un quark down. Perciò quando un neutrone decade in un protone, uno dei suoi quark down cambia sapore e diventa un quark 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 teoria debole[modifica | modifica sorgente]

Diagramma di Feynman che rappresenta il decadimento beta negativo: un neutrone "udd" si trasforma in un protone "uud" attraverso l'emissione di un bosone W-, che a sua volta si scinde in un elettrone e in un antineutrino elettronico

La spiegazione del decadimento beta nucleare data da Fermi nel 1933 è stato il prototipo dell'interazione debole. In analogia con l'interazione elettromagnetica, Fermi descrive il processo debole come un'interazione puntiforme di quattro fermioni, con costante di accoppiamento G, detta costante di Fermi. Le transizioni delle particelle sono descritte in termini di correnti vettoriali, proprio come per l'elettromagnetismo, con la differenza che nel caso debole esse hanno una variazione di carica elettrica. La necessità di avere una teoria che fosse rinormalizzabile e la scoperta della violazione della parità portarono alcune modifiche alla teoria.

La costante di Fermi[modifica | modifica sorgente]

La costante di accoppiamento G non è adimensionale (come e nel caso elettromagnetico) ma ha le dimensioni di [energia]-2. Ciò fa sì che la teoria debole non sia rinormalizzabile. La situazione si può risolvere postulando che le interazioni deboli siano dovute all'emissione e all'assorbimento di bosoni vettori, come avviene col fotone nell'elettromagnetismo. In questo modo l'interazione è proporzionale a:

 \frac{g^2}{(M^2-q^2)}

dove g è la "vera" costante di accoppiamento debole, adimensionale, M è la massa del bosone vettore e q è il momento da esso trasportato. Perciò, nel caso in cui

q^2 \ll M^2

(come per il decadimento beta) si ha un'interazione puntuale con costante di accoppiamento proporzionale alla G di Fermi:

 \frac{G}{\sqrt2}=\frac{g^2}{8M^2}

Ciò mostra anche come l'interazione debole non sia debole perché è debole la costante di accoppiamento g, ma perché M è molto grande. Se infatti g fosse dell'ordine di e, allora a energie dell'ordine di M e oltre, l'interazione debole ed elettromagnetica avrebbero la stessa intensità.

Violazione della simmetria P e C[modifica | modifica sorgente]

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.

Nel 1956 Yang e Lee proposero che l'interazione debole potesse violare questa simmetria. Lee e Yang avanzarono questa ipotesi per spiegare il cosiddetto puzzle θ-τ: negli anni Cinquanta erano state identificate due particelle (θ e τ, appunto) con identica massa, ma con due modi di decadimento semi-leptonici in stati finali di opposta parità. Il dubbio era se le due particelle fossero veramente distinte oppure la medesima. Lee e Yang sostennero (correttamente) la seconda ipotesi, per la quale si aveva una sola particella che decadeva violando la parità, poi identificata con il kaone carico.
La conferma a questa ipotesi giunse nel 1957, da esperimenti condotti da Madame Wu e collaboratori, facendo vincere, quello stesso anno, a Yang e Lee il premio Nobel per la fisica. Dagli esperimenti della Wu emerge come solo neutrini sinistrorsi e antineutrini destrorsi siano coinvolti nell'interazione debole. L'assenza di antineutrini sinistrorsi e neutrini destrorsi è una chiara violazione della parità. Ma anche la coniugazione di carica risulta violata, poiché essa dovrebbe trasformare un neutrino sinistrorso in un antineutrino sinistrorso, il quale però non è soggetto all'interazione debole.

Nel 1957, Marshak e Sundarshan e, poco dopo, Feynman e Gell-Mann proposero la lagrangiana V - A per includere la violazione di parità: in questa teoria, l'interazione debole agisce solo sulle particelle sinistrorse e sulle corrispondenti antiparticelle destrorse, grazie all'applicazione di un'operazione di sottrazione tra un vettore e un vettore assiale o sinistrorso. Per fermioni privi di massa le interazioni V - A conservano l'elicità, perciò nei processi che producono coppie di leptoni, essi emergono con elicità opposte. Invece fermioni massivi non sono prodotti in stati puri di elicità, ma comunque gli esperimenti mostrano come elicità opposte siano favorite, uno su tutti il decadimento del pione carico, per il quale il canale π- in e- + ν(e) è soppresso rispetto a π- in μ- + ν(μ).

L'universalità debole[modifica | modifica sorgente]

Studiando i decadimenti dei leptoni carichi si è concluso che la costante di accoppiamento al bosone W è la medesima per tutti i sapori leptonici; successivi esperimenti hanno permesso di estendere l'universalità anche all'accoppiamento col bosone Z.

La teoria di Cabibbo e la violazione di CP[modifica | modifica sorgente]

Tuttavia la costante di accoppiamento risulta lievemente diversa se calcolata a partire dal decadimento beta o da altri decadimenti che coinvolgono adroni.
Un altro fatto inspiegato dell'interazione debole era la soppressione di decadimenti con variazione di stranezza, rispetto a quelli a stranezza costante.

La soluzione a entrambe le problematiche viene dalla teoria di Cabibbo. Secondo questa teoria, i quark d, s che partecipano all'interazione debole non sono da considerarsi puri stati di sapore, ma sono invece ruotati di un angolo di mixing, detto angolo di Cabibbo \theta_c. Quindi i quark (all'epoca noti) che partecipano all'interazione debole sono raggruppati nel doppietto:
u, d \cos\theta_c+s \sin\theta_c

Dunque la costante di accoppiamento è la stessa per quark e leptoni, solo che per alcuni decadimenti (quelli senza variazione di stranezza) l'accoppiamento effettivo sarà Gcos\theta_c, mentre per le transizioni con variazione di stranezza l'accoppiamento sarà Gsin\theta_c.

Il modello di Cabibbo prevede anche l'esistenza di processi di corrente neutra con cambiamento di sapore, tuttavia mai osservati. Per spiegare la soppressione di questo tipo di transizioni Glashow, Iliopoulos e Maiani propongono nel 1970 il cosiddetto meccanismo GIM che comporta una modifica dei doppietti dovuta all'introduzione teorica di un nuovo quark, il c, che sarà individuato sperimentalmente solo 4 anni dopo.

L'estensione della teoria di Cabibbo a tre famiglie di quark si deve a Kobayashi e Maskawa. Nel 1973 introducono la cosiddetta matrice CKM i cui elementi descrivono come gli stati di quark liberi si "mescolino" (mixing) negli stati di sapore. Per tre famiglie di quark, la matrice CKM è composta da 9 elementi, rappresentabili con quattro parametri: 3 angoli reali e una fase complessa, la quale introduce la possibilità di una violazione della simmetria temporale da parte dell'interazione debole. Per il teorema di conservazione CPT ciò implica che la teoria debole per tre (o più) famiglie di quark ammette la violazione del prodotto CP.
Questo permette di includere nella teoria le osservazioni effettuate nel 1964 da Cronin e Fitch sul decadimento dei kaoni neutri, ciascuno dei quali può decadere in stati finali con CP-parità opposta. Gli effetti di questa violazione sono minori rispetto a quelli della sola simmetria P e valsero ai due fisici il premio Nobel nel 1980. La scoperta del quark b nel 1977 conferma l'esistenza della terza famiglia di quark, che sarà completata solo nel 1995, con l'identificazione del quark t.

La teoria elettrodebole[modifica | modifica sorgente]

Il Modello Standard descrive la forza elettromagnetica e l'interazione debole come due aspetti di una medesima forza, l'interazione elettrodebole, la cui descrizione teorica è stata formulata intorno al 1968 da Glashow, Salam e Weinberg, i quali ricevettero per tale lavoro il premio Nobel per la fisica nel 1979.

Secondo la teoria elettrodebole ad energie molto alte, verificatesi per pochi istanti dopo il Big bang, l'universo possiede quattro campi vettoriali relativi a un'unica forza elettrodebole, espressi da quattro bosoni di gauge privi di massa, e un campo scalare detto campo di Higgs. A di sotto di un certo livello di energia il meccanismo di Higgs determina per il campo di Higgs una rottura spontanea della simmetria, che produce tre bosoni di Goldstone, i quali vengono assimilati da tre dei quattro campi elettrodeboli fornendo loro la massa. I tre campi massivi diventano i bosoni W e Z dell'interazione debole, mentre il quarto conserva le caratteristiche iniziali ancora presenti nell'universo attuale, ed è il campo privo di massa del fotone responsabile dell'elettromagnetismo.

La teoria funziona molto bene e ha permesso la formulazione di predizioni che si sono poi dimostrate vere: una di queste è la stima della massa del bosone Z. La predizione più attesa e ormai verificata è quella relativa all'esistenza del bosone di Higgs, che rappresentava uno degli scopi per cui il Large Hadron Collider del CERN è stato costruito.

Voci correlate[modifica | modifica sorgente]

Bibliografia[modifica | modifica sorgente]

  • (EN) F. Haltzen, A. D. Martin, Quark and Leptons, Wiley, 1984.
  • (EN) D. Perkins, Introduction to High Energy Physics, Addison-Wesley, 2000.
  • B. Pohv, K. Rith, C. Scholz, F. Zetsche, Particelle e Nuclei, Bollati Boringhieri, 1998.