La força feble és una de les quatre forces fonamentals que regeixen tota la matèria de l'univers. Els altres tres són la gravetat, l'electromagnetisme i la força forta. Mentre que altres forces mantenen les coses unides, una força feble juga un paper important a l'hora de trencar-les.
La força feble és més forta que la gravetat, però només és efectiva a distàncies molt petites. La Força opera a nivell subatòmic i juga un paper crític en proporcionar energia a les estrelles i crear els elements. També és responsable de la major part de la radiació natural de l'univers.
Teoria de Fermi
El físic italià Enrico Fermi va desenvolupar una teoria l'any 1933 per explicar la desintegració beta, el procés de convertir un neutró en un protó i expulsar un electró, sovint anomenada partícula beta en aquest context. Va identificar un nou tipus de força, l'anomenada força feble, responsable de la desintegració, el procés fonamental de la transformació d'un neutró en un protó, un neutrin i un electró, que més tard es va identificar com un antineutrí.
Fermi originalmentsuposava que hi havia distància i adhesió zero. Les dues partícules havien d'estar en contacte perquè la força funcionés. Des de llavors s'ha revelat que la força feble és en realitat una força atractiva que es manifesta a una distància extremadament curta, igual al 0,1% del diàmetre d'un protó.
Força electrofeble
En les desintegracions radioactives, la força feble és aproximadament 100.000 vegades menor que la força electromagnètica. Tanmateix, ara se sap que és intrínsecament igual a l'electromagnètic, i es creu que aquests dos fenòmens aparentment diferents són manifestacions d'una sola força electrodèbil. Això es confirma pel fet que es combinen a energies superiors a 100 GeV.
De vegades diuen que la interacció feble es manifesta en la desintegració de les molècules. Tanmateix, les forces intermoleculars són de naturalesa electrostàtica. Van der Waals els va descobrir i porten el seu nom.
Model estàndard
La interacció feble en física forma part del model estàndard: la teoria de les partícules elementals, que descriu l'estructura fonamental de la matèria mitjançant un conjunt d'equacions elegants. Segons aquest model, les partícules elementals, és a dir, aquelles que no es poden dividir en parts més petites, són els blocs de construcció de l'univers.
Una d'aquestes partícules és el quark. Els científics no assumeixen l'existència de res menys, però encara estan buscant. Hi ha 6 tipus o varietats de quarks. Posem-los en ordreaugment de massa:
- top;
- inferior;
- estrany;
- encantat;
- adorable;
- true.
En diverses combinacions, formen molts tipus diferents de partícules subatòmiques. Per exemple, els protons i els neutrons, partícules grans del nucli atòmic, estan formats cadascun per tres quarks. Els dos superiors i els inferiors formen un protó. El superior i els dos inferiors formen un neutró. Canviar el tipus de quark pot canviar un protó en un neutró, convertint així un element en un altre.
Un altre tipus de partícules elementals és un bosó. Aquestes partícules són portadores d'interacció, que consisteixen en feixos d'energia. Els fotons són un tipus de bosó, els gluons un altre. Cadascuna d'aquestes quatre forces és el resultat d'un intercanvi de portadors d'interacció. La interacció forta la duu a terme el gluó, i la interacció electromagnètica pel fotó. El gravitó és teòricament el portador de la gravetat, però no s'ha trobat.
bosons W i Z
La interacció feble la porten els bosons W i Z. Aquestes partícules van ser predites pels premis Nobel Steven Weinberg, Sheldon Salam i Abdus Gleshow a la dècada de 1960 i descobertes el 1983 a l'Organització Europea per a la Recerca Nuclear CERN.
ElsW-bosons estan carregats elèctricament i es denoten amb els símbols W+ (càrrega positiva) i W- (càrrega negativa). El bosó W modifica la composició de les partícules. En emetre un bosó W carregat elèctricament, la força feble canvia el tipus de quark, fent un protóen un neutró o viceversa. Això és el que provoca la fusió nuclear i fa que les estrelles es cremin.
Aquesta reacció crea elements més pesants que finalment són llançats a l'espai per explosions de supernoves per convertir-se en els blocs de construcció de planetes, plantes, persones i tota la resta de la Terra.
Corrent neutre
Z-bosó és neutre i transporta un corrent neutre feble. La seva interacció amb les partícules és difícil de detectar. Les cerques experimentals de bosons W i Z a la dècada de 1960 van portar els científics a una teoria que combina les forces electromagnètiques i febles en un sol "electrodèbil". Tanmateix, la teoria exigia que les partícules portadores fossin ingràvides, i els científics sabien que teòricament el bosó W hauria de ser pesat per explicar el seu curt abast. Els teòrics han atribuït la massa W a un mecanisme invisible anomenat mecanisme de Higgs, que preveu l'existència del bosó de Higgs.
L'any 2012, el CERN va informar que els científics que utilitzaven l'accelerador més gran del món, el Gran Col·lisionador d'Hadrons, havien observat una nova partícula "corresponent al bosó de Higgs".
Decaiment beta
La interacció feble es manifesta en la desintegració β, el procés en què un protó es converteix en un neutró i viceversa. Es produeix quan, en un nucli amb massa neutrons o protons, un d'ells es converteix en un altre.
La decadència beta es pot produir de dues maneres:
- En decadència beta menys, de vegades escrit comβ− -desintegració, el neutró es divideix en un protó, un antineutrí i un electró.
- La interacció feble es manifesta en la desintegració dels nuclis atòmics, de vegades escrit com a β+-desintegració, quan un protó es divideix en un neutró, un neutri i un positró.
Un dels elements es pot convertir en un altre quan un dels seus neutrons es converteix espontàniament en un protó mitjançant la desintegració beta negativa, o quan un dels seus protons es converteix espontàniament en un neutró mitjançant β+-caiguda.
La doble desintegració beta es produeix quan 2 protons del nucli es transformen simultàniament en 2 neutrons o viceversa, donant lloc a l'emissió de 2 electron-antineutrins i 2 partícules beta. En una hipotètica desintegració beta doble sense neutrins, no es produeixen neutrins.
Captura electrònica
Un protó es pot convertir en neutró mitjançant un procés anomenat captura d'electrons o captura K. Quan el nucli té un excés de protons respecte al nombre de neutrons, l'electró, per regla general, de la capa interna d'electrons sembla caure al nucli. L'electró de l'orbital és capturat pel nucli pare, els productes del qual són el nucli fill i el neutrins. El nombre atòmic del nucli fill resultant disminueix en 1, però el nombre total de protons i neutrons continua sent el mateix.
Reacció de fusió
La força feble està implicada en la fusió nuclear, la reacció que impulsa el sol i les bombes de fusió (hidrogen).
El primer pas en la fusió d'hidrogen és la col·lisió de dosprotons amb força suficient per superar la repulsió mútua que experimenten a causa de la seva interacció electromagnètica.
Si les dues partícules es col·loquen a prop l'una de l' altra, una forta interacció pot unir-les. Això crea una forma inestable d'heli (2He), que té un nucli amb dos protons, a diferència de la forma estable (4He), que té dos neutrons i dos protons.
El següent pas és la interacció feble. A causa d'un excés de protons, un d'ells experimenta una desintegració beta. Després d'això, altres reaccions, inclosa la formació intermèdia i la fusió 3He, finalment formen un 4He.
