Interacciones fundamentales III: Interacción débil

Qué pasaría si tomamos un neutrón y lo dejamos en el vacío? Permanecerá como neutrón para siempre o se transformará en otra partícula? Esta pregunta fue respondida por experimentos, los que muestran que si esperamos algo más de 14 minutos veremos nuestro neutrón desaparecer y un protón queda en su lugar. No sólo esto, otras dos partículas aparecen en este proceso: un electrón y un antineutrino. Este proceso se denomina decaimiento beta y no fue comprendido por mucho tiempo. La imagen recién descrita fue introducida por Enrico Fermi en 1934, en la que el neutrón decae en otras tres diferentes partículas. Uno de los detalles más importantes de esta observación es que este proceso debe deberse

decaimiento beta según Fermi (1934)

a alguna interacción que no es el electromagnetismo (obviamente tampoco es debido a la gravedad). Los físicos llamaron interacción débil a la responsable de procesos en los cuales ciertas partículas “cambian de identidad” y debido a ello decaen en otras partículas. La descripción de Fermi fue un tremendo avance que llevó a comprender fenómenos como la radioactividad. El único problema con la idea de Fermi es que al decaer en tres partículas, la teoría predice algunos efectos que no se observan. Además en el espíritu de las interacciones fundamentales, de la misma manera que el electromagnetismo es mediado por el fotón, la interacción débil debería ser mediada por alguna partícula.

Teoría Electrodébil

Recién en 1967 Sheldon Glashow, Abdus Salam y Steven Weinberg construyeron una teoría cuántica que describía la interacción débil, de la misma manera que QED describía el electromagnetismo. Sin embargo, ellos encontraron algo más: mostraron que la interacción débil y la electromagnética podrían combinarse en una única teoría, de esta manera las interacciones electromagnéticas y débiles entre partículas estarían ahora descritas por la llamada interacción electrodébil. La unificación electrodébil de Glashow, Salam y Weinberg es uno de los grandes hitos en la descripción fundamental de la naturaleza, de la misma forma que a fines del siglo XIX James C. Maxwell fue capaz de unificar la electricidad con el magnetismo en su teoría electromagnética. Volviendo a las partículas fundamentales, cuál es la partícula mediadora de la interacción débil? En la descripción de Glashow, Salam y Weinberg, no es una sino tres las nuevas partículas que es necesario introducir (además del fotón). En esta teoría las interacciones débiles son mediadas por tres “primos” del fotón, también con espín 1 (es decir son bosones): uno de los bosones es similar a un fotón con masa llamado Z0 y los otros dos son similares al fotón con masa y carga eléctrica (positiva y negativa) llamados W+ y W. De la misma manera que dos electrones intercambian un fotón para transmitir la interacción electromagnética, dos partículas pueden intercambar Z0, W+ o W para transmitir la interacción débil.

Corrientes cargadas y neutras: el Premio Nobel más rápido de la historia

descripción moderna del decaimiento beta

Cuando la partícula intercambiada es W+ o W se habla de corrientes cargadas, ya que la carga eléctrica de la partícula inicial “se transmite” al bosón cargado que luego decae en otra partícula cargada. Esto produce que una partícula cambie de sabor, por ejemplo, un muón puede convertirse en su primo más liviano el electrón. El decaimiento beta ahora se comprende no como el decaimiento del neutrón en tres partículas sino que en neutrón decae en un protón y un W, el cual luego decae en un electrón y un antineutrino. Notar que en cada sección del proceso la carga eléctrica es conservada.

Cuando la partícula que se intercambia es un Z0 no hay cambio de sabor ni carga por lo que se habla de una corriente neutra. Estas últimas no habían sido observadas y corresponden a una predicción del modelo electrodébil. En 1973 las corrientes neutras fueron por primera vez observadas en la cámara de burbujas Gargamelle en CERN. El éxito de la teoría electrodébil de Glashow, Salam y Weinberg les valió el Premio Nobel en 1979. También en CERN, Carlo Rubbia y Simon van der Meer dirigieron dos diferentes experimentos en los cuales los bosones Z0, W+ y W fueron por primera vez observados en 1983. Por este descubrimiento, Rubbia y van der Meer compartieron el Premio Nobel en 1984, sólo un año después, lo que llama mucho la atención ya que típicamente el premio es concedido varios años más tarde del respectivo descubrimiento.

El presente: LHC

En estos días las noticias han hecho eco de la observación de los bosones Z0, W+ y W en el LHC. Justamente esta semana se anunció que el pasado 6 de abril, sólo una semana después de las primeras colisiones del LHC a 7 TeV,  se observaron los primeros W en ATLAS, mientras que hace un mes fue observado el primer W en LHCb. El bosón Z también ha dado señales en ATLAS.

Tabla: propiedades de los bosones W y Z


Links: secciones anteriores de esta serie

Interacciones fundamentales I : Gravedad
Interacciones fundamentales II: Electromagnetismo

Acerca de Jorge Diaz

Jorge es Investigador Postdoctoral en el Karlsruher Institut für Technologie, Alemania. Se dedica a la Astrofísica de Partículas estudiando neutrinos, rayos cósmicos y fotones de alta energía. Obtuvo su Ph.D. en Física de Partículas en Indiana University, Estados Unidos. En Twitter: @jsdiaz_
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26 respuestas a Interacciones fundamentales III: Interacción débil

  1. visualcubb dijo:

    (suspiro)… ciencia…

  2. Neutron dijo:

    hola, muy bueno el blog. Me pase harto rato leyendo, despues de leer las otras partes encuentro que las fuerzas debiles son como mas raras que las otras. Siempre he escuchado que el neutron se puede convertir en un proton pero ¿que pasa al reves? ¿el proton se puede convertir en un neutron? Ojala me respondan!

    • Jorge Diaz dijo:

      Hola Neutrón,
      las interacciones débiles (al igual que las fuertes) son algo más extrañas que la gravedad y el electromagnetismo. Esto se debe a que estas últimas pueden ser apreciadas a escalas macroscópicas y por lo tanto nos son bastante familiares, las otras dos en cambio sólo se manifiestan a escalas subatómicas, un mundo el cual es menos conocido. Adicionalmente, agregaría que las leyes del mundo subatómico son en realidad extrañas, así que la forma en las partículas se comportan a estas escalas está fuera del sentido común. Sin embargo, como una vez dijo Leon Lederman: “¿qué le importa el sentido común a las partículas?”.

      Respondiendo a tu pregunta, una de las formas más simples de ver por qué el neutrón puede decaer en un protón más otras cosas es su diferencia de masa. El neutrón es más masivo que el protón por lo que suena coherente en pensar que el neutrón puede “romperse” en cosas menos masivas. Recalco que esto es sólo una analogía ya nada se rompe en partes más pequeñas, sino que la estructura interna de las partículas cambia (esto lo entendermos mejor al estudiar los quarks). El protón puede también convertirse en un neutrón (y un par de otras partículas) pero esto no ocurre en el vacío, es decir, no ocurre espontáneamente si dejamos un protón ahí. El protón parece ser bastante estable, hasta la fecha nunca se ha observado un protón transformándose en otra cosa de manera espontánea. Lo que sí puede ocurrir es lo que se conoce como “decaimiento beta inverso”. El decaimiento beta está descrito esquemáticamente en la segunda figura de este post, si tomamos el antineutrino que sale a la derecha y lo ponemos “al otro lado” (izquierda) del diagrama lo que obtenemos es el decaimiento beta inverso. En este proceso un protón y un electrón intercambian un W-, con lo que el electrón se convierte en un neutrino y el protón se convierte en un neutrón. Este proceso ha sido muy bien estudiado y sabemos que ocurre en la naturaleza, tanto en algunos elementos químicos como en las estrellas. Las llamadas estrellas de neutrones se forman cuando una estrella muy masiva (formada de protones, neutrones y electrones) agota su combustible nuclear y es aplastada por la gravedad, en ese momento los electrones son empujados a los núcleos de sus átomos donde “interactúan débilmente” con los protones, convirtiéndolos en neutrones y liberando neutrinos, es por eso que mucha de la investigación en el campo de los neutrinos utiliza estas explosiones estelares (llamadas supernovas) como “laboratorios”.
      Saludos

      • Neutron dijo:

        Gracias jorge por la respuesta, me queda claro pero al mismo tiempo me genera mas preguntas por ejemplo si las estrellas de neutrones estan hechas de neutrones y los neutrones viven menos 15 minutos, ¿como es que hay estrellas de neutrones en el espacio y no desaparecieron luego de 15 minutos? ¿o acaso los neutrones decaen uno a la vez y por eso las estrellas de neutrones viven tanto? Por lo mismo, ¿como es que los neutrones que hay en los nucleos de los atomos no se transforman todos en protones luego de 15 minutos?
        Eso, gracias de nuevo y ojala me aclares estas nuevas dudas.
        Saludos

      • Jorge Diaz dijo:

        Neutrón,
        disculpa la demora en responder. Lo que preguntas es un detalle muy interesante ya que como dices si el neutrón vive sólo un par de minutos esperaríamos que el núcleo de los átomos fuese inestable. La respuesta está en el hecho que si un neutrón en un núcleo experimenta un decaimiento beta, este se transformará en un protón que queda en el núcleo más un electrón y un antineutrino electrónico que salen “disparados”. Este fenómeno es bien conocido y es la base de la radiación beta (electrones que escapan desde el núcleo). El detalle importante está en el protón que se queda en el núcleo. Dado que el núcleo tiene carga eléctrica positiva debido a los otros protones presentes, existe una gran fuerza que quiere desarmar el núcleo (la fuerza de repulsión eléctrica entre protones) por lo que agregar otro protón no es muy favorable, es decir, el sistema no quiere más protones esto es lo que a veces se denomina “bloqueamiento electrostático”, la idea es que el sistema hace lo posible para no crear más protones y así no aumentar la repulsión dentro del núcleo, por esto los neutrones en el núcleo no decaen fácilmente y son bastante estables. La vida media del neutrón es casi 15 minutos sólo en el vacío, es decir, un neutrón aislado, cuando se estudia un neutrón en un núcleo (lo que los físicos llaman un “neutrón ligado”) las condiciones cambian. Esto permite que los núcleos sean estables.
        La otra pregunta tiene relación con las estrellas neutrones, te cuento que en la superficie de este tipo de estrellas los neutrones están casi libres por lo que sí decaen, se transforman en protones, electrones y antineutrinos por el decaimiento beta. La diferencia es que en este caso el electrón que aparece no escapa sino que se queda en la estrella junto a protón, esto permite que electrones y protones puedan recombinarse para crear neutrones (y neutrinos) lo que se denomina “decaimiento beta inverso”. Esto mantiene el número de neutrones más o menos constante. Estos dos procesos n\rightarrow p+e^-+\bar\nu_e y p+e^-\rightarrow n+\nu_e forman un ciclo cerrado que los astrofísicos llaman “reacciones Urca”.

  3. Marí Andreina dijo:

    Hola Jorge,

    antes que nada te felicito por el blog, ¡me han encantado sus post!. Bueno, no se si recuerdas aquel correo que te mande preguntandote sobre la carrera de Física. Quiero decirte que ya voy para el 3cer semestre (si sobrevivo xD) de la carrera y tu correo me sirvió mucho. Ojalá pudieses darme tu correo personal para chatear por msn, pues necesito contarte cosas y preguntarte otras más.

    Cuidate mucho. ¡Saludos!

    • Jorge Diaz dijo:

      Marí Andreina,
      gracias por el saludo, el blog es un esfuerzo de varias personas y haremos lo posible por mantenerlo vivo. Me alegro que sobrevivas a la carrera de Física. Sobre la forma de comunicación te escribo directamente.

  4. Marce dijo:

    Me gustó mucho el blog, muy claro y en un lenguaje que los mortales podemos entender, se agradece la labor que están realizando.
    Además veo que responden preguntas así que aprovecharé porque hay algo que nunca he podido entender: por qué hay 3 partículas para la fuerza débil y sólo una para electromagnetismo? He leído que tiene que ver con teoría de grupos pero no me queda claro cuál es la conexión.
    Felicidades de nuevo por el blog!

    • Jorge Diaz dijo:

      Marce,
      bienvenida al blog. Tu pregunta es bastante simple pero la respuesta es bastante técnica ya que involucra un concepto matemático muy profundo de la teoría. La idea del blog es mantener un lenguaje sencillo, sin embargo ya han aparecido preguntas que llevan a respuestas técnicas en otras ocaciones así que auí voy.
      El modelo estándar es lo que se denomina una teoría cuántica de campos, dicha teoría ha sido construída para mantener una estructura llamada invariante de gauge. La simetría de gauge es una de las más fundamentales que ha conducido a los físicos durante los últimos 100 años a descripciones de la natraleza que parecen estar muy de acuerdo con los experimentos. Las simetrías tienen asociados grupos de transformaciones llamadas transformaciones de gauge. dependiendo del tipo de interacción que se intente describir se utiliza un grupo diferente. El grupo del electromagnetismo se llama U(1) y corresponde simplemente a redefiniciones de los campos por una fase, por lo tanto sólo posee un parámetro (la fase) y por cada parámetro hay un generador, dicho generador es el campo electromagnético, cuya partícula asociada es el fotón. En el caso de las interacciones débiles el grupo de simetría se llama SU(2) que tiene tres generadores (en general SU(N) tiene N^2-1 generadores) los cuales corresponden a las tres partículas de la interacción débil W^+, W^- y Z^0. Espero que la respuesta no haya sido demasiado complicada, lamentablemente esa es la razón.

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  14. IslameN dijo:

    ¡Hola!
    He estado buscando el último capítulo de la serie pero no lo he encontrado, ¿se tiene intención de publicar?
    Estaría encantado de poder leerlo.

    Saludos

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  19. gaatoso dijo:

    Hola, excelente blog, felicitaciones

    En la respuesta a una de las preguntas que te formularon respondiste esto:

    “[…]El neutrón es más masivo que el protón por lo que suena coherente en pensar que el neutrón puede “romperse” en cosas menos masivas. Recalco que esto es sólo una analogía ya nada se rompe en partes más pequeñas, sino que la estructura interna de las partículas cambia (esto lo entendermos mejor al estudiar los quarks).[…]

    ¿A qué te refieres exactamente con “estructura interna de las partículas”?, ¿cómo podría entenderse o imaginarse eso?, ¿tal vez, no sería más exacto decir que el neutrón se transforma en otras partículas gracias a desprendimiento o atracción de energía? Ojalá me puedas responder.

    Muchas gracias.

    • Jorge Diaz dijo:

      Hola gaatoso,
      mi comentario se refiere a que el neutrón no es una partícula fundamental, al igual que el protón, el neutrón está compuesto por partículas más “pequeñas” llamadas quarks (los que se mantienen unidos por otras partículas llamadas gluones). Burdamente hablando, la diferencia entre un protón y un neutrón es simplemente un quark: el neutrón posee dos quarks llamados ‘down’ y un quark llamado ‘up’; por otro lado el protrón posee un quark ‘down’ y dos quarks ‘up’. En una desintegración radiactiva un quark ‘down’ en el neutrón puede transformarse espontáneamente en un quark ‘up’, lo que convierte al neutrón en un protón. Esta transformación espontánea es lo que describe la interacción débil por lo que permite comprender las desintegraciones radiactivas observadas en diferentes elementos químicos.

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