OModelo Padrão de física de partículas provê uma estrutura uniforme para o entendimento das interações eletromagnética, fraca e forte. Uma interação ocorre quando duas partículas (geralmente, mas não necessariamente,férmions comspin semi-inteiro) trocambósons portadores de força com spin inteiro. Os férmions envolvidos em tais trocas podem ser elementares (e.g.elétrons ouquarks) ou compostos (e.g.prótons ounêutrons), apesar de que nos níveis mais fundamentais, todas as interações fracas ocorrem entrepartículas elementares.
Na interação fraca, férmions podem trocar três tipos de portadores de força, a saber os bósonsW+,W– eZ. Asmassas desses bósons são muito maiores do que a massa de um próton ou um nêutron, o que é consistente com o alcance curto da força fraca. Na verdade, a força é denominadafraca porque suaintensidade de campo para qualquer dada distância é tipicamente várias ordens de grandeza menor do que a da força eletromagnética, que por sua vez é várias ordens de grandeza menor do que a força nuclear forte.
Quarks, que compõem partículas compostas como nêutrons e prótons, vêm em seis “sabores” — up, down, estranho, charmoso, top e bottom — que dão às partículas compostas suas propriedades. A interação fraca é a única que permite aos quarks trocarem seus sabores. A troca dessas propriedades é mediada pelos bósons portadores de força. Por exemplo, durante umdecaimento beta menos, um quark down dentro de um nêutron é alterado para um quark up, convertendo o nêutron em um próton e resultando na emissão de um elétron e um antineutrino do elétron. Outro exemplo importante de fenômeno envolvendo a interação fraca é afusão do hidrogênio em hélio que alimenta o processo termonuclear do Sol.
Em 1933,Enrico Fermi propôs a primeira teoria da interação fraca, conhecida como interação de Fermi. Ele sugeriu que odecaimento beta poderia ser explicado por uma interação de quatro férmions, envolvendo uma força de contato sem alcance.[4][5] Assim numa interação fraca um neutrino é sempre produzido com umpósitron, ou umantineutrino com umelétron, o que dá um conjunto de cargaeletricamente carregado.
Entretanto, ela é melhor descrita como um campo deforça sem contato de alcance finito, embora muito curto.[carece de fontes?] Na década de 1960,Sheldon Glashow,Abdus Salam eSteven Weinberg unificaram a força eletromagnética e a interação fraca ao mostrar que eram dois aspectos de uma única força, agora denominada a força eletrofraca.[6][7]
Um diagrama representando as rotas de decaimento devido à interação fraca carregada e alguns indicadores de suas probabilidades. A intensidade das linhas é dada pelosparâmetros CKM.
A interação fraca eletricamente carregada é única em vários aspectos:
É a única interação que pode mudar osabor de quarks e léptons (i.e., alterar o tipo de um quark para outro).
Ambas as interações eletricamente carregada e eletricamente neutra são mediadas (propagadas) porpartículas portadoras de força que possuem massas expressivas, uma propriedade incomum que é explicada no Modelo Padrão pelomecanismo de Higgs.
Devido às suas grandes massas (aproximadamente 90 GeV/c2[10]) essas partículas portadoras, chamadas de bósons W e Z, têm vida curta com um tempo de vida abaixo de 10−24 segundos.[11] A interação fraca possui umaconstante de acoplamento (um indicador de quão frequentemente as interações ocorrem) entre 10–7 e 10–6, em comparação àconstante de acoplamento eletromagnética que está em torno de 10−2 e à constante de acoplamento dainteração forte que está em torno de1;[12] consequentemente a interação fraca é ‘fraca’ em termos de intensidade.[13] A interação fraca possui um alcance efetivo muito pequeno (em torno de 10−17 a 10−16 m, que equivale a 0,01 fm e 0,1 fm, respectivamente).[a][14][15] A distâncias em torno de 10−18 metros (0,001 fm), a interação fraca possui intensidade de magnitude similar a da força eletromagnética, mas que começa a diminuirexponencialmente com o aumento da distância. Ampliada por apenas uma ordem e meia de grandeza de magnitude, a distâncias em torno de 3×10−17 m, a interação fraca se torna 10.000 vezes mais fraca.[16]
A interação fraca afeta todos os férmions do Modelo Padrão, assim como obóson de Higgs;neutrinos interagem somente pela gravidade e pela interação fraca. A interação fraca não produzestados ligados nem envolveenergias de ligação — algo que a gravidade faz emescala astronômica, que a força eletromagnética faz a níveis moleculares e atômicos, e a força nuclear forte faz somente a nível subatômico, dentro donúcleo.[17]
Seu efeito mais notável é devido à sua primeira característica única: a interação fraca carregada produzmudança de sabor. Por exemplo, umnêutron é mais pesado que umpróton (seu nucleon associado), e pode decair em um próton pela troca dosabor (tipo) de um de seus dois quarksdown para um quarkup. Nem ainteração forte nem oeletromagnetismo permitem a troca de sabor, logo isso só pode ocorrer pelo decaimento fraco; sem o decaimento fraco, certas propriedades dos quarks como a estranheza e o charme (associadas com o quark estranho e o quark charmoso, respectivamente) também teriam que ser conservadas através de todas as interações.
Todos osmésons são instáveis devido ao decaimento fraco.[18]: No processo conhecido pordecaimento beta, um quarkdown em umnêutron pode mudar para um quarkup ao emitir um bóson W− virtual que então decai em umelétron e umantineutrino do elétron.[19]: Outro exemplo é acaptura eletrônica — uma variante comum dodecaimento radioativo — onde um próton e um elétron dentro de um átomo interagem, e mudam para um nêutron (um quark up muda para um quark down) e um neutrino do elétron é emitido.
Devido às grandes massas dos bósons W, as transformações de partículas ou decaimentos (e.g., mudança de sabor) que dependem da interação fraca ocorrem tipicamente muito mais devagar do que transformações ou decaimentos que dependem somente das forças forte ou eletromagnética. Por exemplo, umpíon neutro decai eletromagneticamente, e portanto tem uma vida de somente 10−16 segundos. Diferentemente, um píon carregado só pode decair pela força fraca, e portanto existe por volta de 10−8 segundos, ou cem milhões de vezes mais tempo do que um píon neutro.[20] Um exe mplo particularmente extremo é o decaimento por força fraca de um nêutron livre, que leva em torno de 15 minutos.[21]:
Todas as partículas levógiras (regulares) acima possuemanti-partículas dextrógiras correspondentes com isospin igual e oposto.
Todas as partículas dextrógiras (regulares) e antipartículas levógiras possuem isospin fraco igual a 0.
Todas as partículas têm a propriedade chamada deisospin fraco (símboloT3), que serve como umnúmero quântico aditivo que restringe como a partícula interage com os W± da força fraca. O isospin fraco desempenha o mesmo papel na interação fraca com W± que acarga elétrica desempenha noeletromagnetismo, e acarga de cor nainteração forte; um número diferente com um nome similar,carga fraca, discutida abaixo, é usada para interações com o Z . Todos os férmions levógiros possuem como valor de isospin fraco ou; todos os férmions dextrógiros tem isospin 0. Por exemplo, o quark up tem e o quark down tem. Um quark nunca decai pela interação fraca em um quark com o mesmo: Quarks com um de somente decaem em quarks com e vice-versa.
Decaimento do π+ através da interação fraca
Para qualquer dada interação, o isospin fraco éconservado: A soma dos números de isospin fraco de partículas entrando na interação é igual a soma dos números de isospin fraco das partículas saindo da interação. Por exemplo, um (levógiro), com um isospin fraco igual a normalmente decai em um ν μ (com) e um μ+ (como uma antipartícula dextrógira,).[23]:
Para o desenvolvimento da teoria eletrofraca, outra propriedade, ahipercarga fraca, foi inventada, definida como:
onde é a hipercarga fraca de uma partícula com carga elétricaQ (emunidades de carga elementar) e isospin fraco.Hipercarga fraca é a geradora da componente U(1) dogrupo de gauge eletrofraco; enquanto algumas partículas têm isospin fraco igual a zero, todas aspartículas de spin conhecidas têm hipercarga fraca diferente de zero.
Existem dois tipos de interação fraca (chamados de vértices). O primeiro tipo é chamado de “interação de corrente-carregada” porque os férmions fracamente interagentes formam uma corrente com carga elétrica total não nula. O segundo tipo é chamado de “interação de corrente-neutra” porque os férmions fracamente interagentes formam uma corrente com carga elétrica total nula. Ela é responsável pela (rara) deflexão de neutrinos. Os dois tipos de interação seguem diferentes regras de seleção. Essa convenção de nomenclatura é muitas vezes mal interpretada para rotular a carga elétrica do bósons W e Z, entretanto a convenção de nomenclatura antecede o conceito de bósons mediadores, e claramente (pelo menos no nome) rotula a carga da corrente (formada pelos férmions), não necessariamente os bóson.
O diagrama de Feynman para o decaimento beta-menos de um nêutron em um próton, elétron e um antineutrino do elétron, por intermédio de bóson W- pesado
Em um tipo de interação de corrente carregada, um lépton carregado (tal como um elétron ou um múon, tendo carga -1) podem absorver um bóson W+ (uma partícula de carga +1) e ser deste modo convertida em neutrino correspondente (com carga 0), onde o tipo (“sabor”) do neutrino (elétron, múon ou tau) é o mesmo do tipo de lépton na interação, por exemplo:
Similarmente, um quark down (d com carga -⅓) pode ser convertido em um quark up (u com carga +⅔) ao emitir um bóson W⁻ ou ao absorver um bóson W⁺. Mais precisamente o quark down se torna uma superposição quântica de quarks up: isso que dizer ele possui a possibilidade de se tornar qualquer um dos 3 tipos de quark up, com as probabilidades dadas pelas tabelas da matriz CKM. Por outro lado, um quark up pode emitir um bóson W⁺, ou absorver um bóson W⁻, e deste modo ser convertido em um quark down, por exemplo:
O bóson W é instável e portanto decairá rapidamente, com um tempo de vida muito curto. Por exemplo:
Pode ocorrer o decaimento de um bóson W em outros produtos, com diversas probabilidades.[24]
No assim chamadodecaimento beta de um nêutron (veja a imagem acima), um quark down dentro do nêutron emite um bósonvirtual e é deste modo convertido em um quark up, convertendo o nêutron em um próton. Por causa da energia limitada envolvida no processo (i.e., a diferença de massa entre o quark down e o quark up), o bóson virtual W⁻ pode carregar somente energia suficiente para produzir um elétron e um antineutrino do elétron — as duas menores massas possíveis entre os futuros produtos de decaimento.[25] Ao nível dos quarks, o processo pode ser representado como:
Em interações de corrente neutra, umquark ou umlépton (e.g., umelétron ou ummúon) emite ou absorve um bóson neutro. Por exemplo:
Assim como os bósons, o bóson também decai rapidamente,[26] por exemplo:
Diferente da interação de corrente-carregada, cujas regras de seleção são rigidamente limitadas pela quiralidade, carga elétrica, e / ou isospin fraco, a interação de corrente-neutra por pode causar a deflexão entre dois férmions quaisquer do modelo padrão: Tanto partículas ou antipartículas, com qualquer carga elétrica, e ambas as quiralidades levógiras e dextrógiras, embora a intensidade da interação difere.
O número quântico dacarga fraca () serve o mesmo propósito na interação de corrente neutra com o que a carga elétrica (, sem subscrito) faz nainteração eletromagnética: Ele quantifica a parte vetorial da interação. Seu valor é dado por:[27]
uma vez que por convenção, e para todos os férmions envolvidos na interação fraca. A carga fraca dos léptons carregados é próxima de zero, logo eles interagem na sua maior parte com os bósonsZ pelo acoplamento axial.
De acordo com a teoria eletrofraca, a energias muito altas, o universo tem quatro componentes docampo de Higgs cujas interações são portadas por quatrobósons de gauge sem massa — cada um similar aofóton — formando um dubleto escalar complexo do campo de Higgs. Da mesma forma, existem quatro bósons eletrofracos sem massa. Entretanto, a baixas energias, essa simetria de gauge équebrada espontaneamente para a simetria do eletromagnetismo, já que um dos campos de Higgs adquire umvalor esperado de vácuo. Ingenuamente, seria esperado que a quebra de simetria produzisse trêsbósons sem massa, mas em vez disso esses três bósons de Higgs “extra” são incorporados nos três bósons fracos, que então adquirem massa pelomecanismo de Higgs. Esses três bósons compostos são os bósons, e realmente observados na interação fraca. O quarto bóson de gauge eletrofraco é o fóton () do eletromagnetismo que não se acopla a nenhum outro campo de Higgs e portanto permanece sem massa.[30]
Essa teoria fez uma série de previsões, incluindo a previsão das massas dos bósons e antes de suas descobertas e detecções em 1983.
No dia 4 de Julho de 2012, as equipes experimentais CMS e ATLAS noGrande Colisor de Hádrons (Large Hadron Collider) anunciaram independentemente que eles confirmaram a descoberta formal de um bóson anteriormente desconhecido de massa entre 125 e 127 GeV/c², cujo comportamento até então era “consistente com” um bóson de Higgs, embora adicionando uma nota cautelosa que mais dados e análises eram necessários antes de identificar positivamente o novo bóson como sendo um bóson de Higgs de algum tipo. Até o dia 14 de Março de 2013, a existência de um bóson de Higgs foi provisoriamente confirmada.[31]
Em um caso especulativo em que aescala dequebra de simetria eletrofraca fosse reduzida, a interação ininterrupta acabaria se tornandoconfinante. Modelos alternativos onde o se torna confinante acima dessa escala parecem quantitativamente semelhantes ao Modelo Padrão a energias mais baixas, mas dramaticamente diferentes acima da quebra de simetria.[32]
Asleis da natureza foram por muito tempo consideradas como invariantes sob areflexão de um espelho. Era esperado que os resultados de um experimento visto por um espelho seriam idênticos aos resultados de uma cópia espelhada do aparato experimental, construída separadamente, vista pelo espelho. Essa lei chamada deconservação daparidade era conhecida por ser respeitada pelagravitação clássica,eletromagnetismo e ainteração forte; assumia-se que era uma lei universal.[33] Entretanto, em meados da década de 1950Chen-Ning Yang eTsung-Dao Lee sugeriram que a interação fraca poderia violar essa lei.Chien Shiung Wu e colaboradores descobriram em 1957 que a interação fraca viola a paridade, dando a Yang e Lee oPrêmio Nobel de Física de 1957.[34]
Apesar da interação fraca ter sido descrita pelateoria de Fermi, a descoberta da violação de paridade e a teoria derenormalização sugeria que era necessária uma nova abordagem. Em 1957,Robert Marshak eGeorge Sudarshan e, um pouco depois,Richard Feynman eMurray Gell-Mann propuseram umalagrangianaV − A (vetor menosvetor axial ou levógiro) para as interações fracas. Nessa teoria, a interação fraca atua somente nas partículas levógiras (e antipartículas dextrógiras). Já que a reflexão de uma partícula levógira é dextrógira, isso explica a violação máxima de paridade. A teoriaV − A foi desenvolvida antes da descoberta do bóson Z, e assim ela não incluía os campos dextrógiros que aparecem na interação de corrente neutra.
Entretanto, essa teoria permitia a conservação da simetria combinadaCP. A simetriaCP combina paridadeP (trocando levógiro por dextrógiro) com a conjugação de cargaC (trocando partículas por antipartículas). Os físicos foram surpreendidos novamente em 1964, quandoJames Cronin eVal Fitch apresentaram evidências concretas de que a simetriaCP poderia ser também quebrada em decaimentos dekáons, dando a eles oPrêmio Nobel de Física de 1980.[35] Em 1973,Makoto Kobayashi eToshihide Maskawa mostraram que a violação deCP na interação fraca requer mais do que duas gerações de partículas,[36] efetivamente prevendo a existência de uma ainda desconhecida terceira geração. Essa descoberta deu a eles metade do Prêmio Nobel de Física de 2008.[37]
Diferentemente da violação de paridade, a violação deCP ocorre somente em raras circunstâncias. Apesar de sua ocorrência limitada sob as presentes condições, acredita-se que ela é a razão para a maior presença de matéria em relação a antimatéria no universo, e logo forma uma das três condições deAndrei Sakharov para abariogênese.[38]
↑Langacker, Paul (2001) [1989]. «CP violation and cosmology». In: Jarlskog, Cecilia.CP Violation. London,River Edge: World Scientific Publishing Co. p. 552.ISBN9789971505615 – via Google Books
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