Elkarrekintza nuklear ahul

Beta desintegrazioa posible da elkarrekintza nuklear ahulari esker.

Partikulen Fisikako Eredu Estandarra

Elkarrekintza nuklear ahula, indar ahula edo indar nuklear ahula deritzona, partikula subatomikoen arteko elkarrekintza-mekanismoa da. "Ahul" deritzo haren indarra elkarrekintza nuklear bortitza baino $10^{13}$ aldiz txikiagoa delako. Indar ahularen efekturik ezagunenak beta desintegrazioa eta erradioaktibitatea dira. Azken horrek garrantzi handia du fisio nuklearrean. Indar nuklear ahulak eremu oso txikietan eragiten du, distantzia subatomikoetan hain zuzen ere. Bestalde, naturan ageri diren oinarrizko interakzioetako bat da, elektromagnetismo, indar bortitz eta grabitazioarekin batera.

Partikulen Fisikako Eredu Estandarrean, elkarrekintza ahula $W$ eta $Z$ bosoien partekatzearen ondorioa dela esaten da, eta Heisenberg-en ziurgabetasun-printzipioari jarraituz oso bizitza laburrekoak.

Oinarrizko kontzeptuak

Partikulen Fisikako Eredu Estandarra interakzio elektromagnetiko, ahul eta bortitzak ulertzeko baliagarria da. Interakzio deritzo bi partikula, fermioiak normalean, bosoiak eratuz spin zenbakiak elkarraldatzeko prozesuari. Elkarrekintza horietan parte hartzen duten fermioiak oinarrizkoak (adib. elektroiak edo quarkak) zein konposatuak (adib. protoiak edo neutroiak) izan daitezke.

Bestalde, fermioien arteko elkarrekintzetan parte hartzen duten indar-eramaleak $W^{+},W^{-}$ eta $Z$ bosoiak dira. Bosoien masa protoi edota neutroi batenak baino askoz handiagoa da, zentzuzkoa dena indar ahularen eremu laburrarekin alderatuta.

Orain arte aipatutako partikulek, neutroiek, protoiek adibidez, quarkez osatuta daude. Hauek sei "zapore" desberdinetan banantzen dira: up, down, strange, charm, top eta bottom. Elkarrekintza nuklear ahulan, quarkek zaporez aldatu dezakete indar-eramale diren bosoien bitartez.. $\beta ^{-}$ desintragazioan adibidez, neutroi baten down quark batek up quark baten bilakatzen da. Ondorioz, neutroi horrek protoi baten bilakatzen da, elektroi eta elektroi neutrinoa igorriz.

$$n\longrightarrow p+e^{-}+{\bar {\nu }}$$

Gainera, elkarrekintza nuklear ahulak beste oinarrizko elkarrekintzekin alderatuz, honek paritate-simetria apurtzen duen bakarra da, eta ondorioz, karga paritate simetria ere bai.

Historia

1993. urtean Enrico Fermi fisikari italiarrak elkarrekintza nuklear ahularen lehenengo teoria proposatu zuen, Fermiren elkarrekintza deritzona. Haren hitzetan, beta desintegrazioa lau fermioiren elkarrekintza bezala ulertu zitekeen. Elkarrekintza hau irispide gabeko kontaktu-indar batek eragingo luke.

Hala ere, azalpen hobea eman zen geroago aipatutako elkarrekintza irismen finituko indar kontaktugabeen eremutzat hartuta, irismen oso txikia duena. Ideia hori baliatuz, 1968an Sheldon Glashow, Abdus Salam eta Steven Weinberg lankideek indar elektromagnetikoaren eta elkarrekintza ahularen teoriak bateratu zituzten. Frogatu zutenez, bi indarrok indar bakar baten bi aldaera dira, orain indar elektroahula deritzona.

W eta Z bosoien existentzia, baina, ez zen 1983. urter arte berretsi.

Propietateak

Quarkei eta Ezkerreko kiralitatea duten leptoiei eragiten die elkarrekintza ahulak. Grabitateaz aparte, neutrinoen gainean eragiten duen indar bakarra da. Horrez gain, badaude elkarrekintza nuklear ahulak soilik erakusten dituen propietate berezi batzuk:

1. Quarken zaporea alda dezakeen elkarrekintza bakarra da.
2. Paritate-simetria apurtzen duen elkarrekintza bakarra da, 1957. urtean C. S. Wu-k kobaltoaren esperimentuan frogatu zuen moduan.
3. Masa handiko partikula indar-eramaleen (gauge bosoiak) bidez hedatzen da elkarrekintza ahula, ezaugarri nahiko ezohikoa. Hori azaldu ahal izateko Eredu Estandarean aurkitu dezakegun Higgsen Mekanismora jo behar dugu.

Elkarrekintza ahula garraiatzen duten partikulen masa hain handia denez $($$90$ $GeV/c^{2}$-tik gertu$)$, haien batez besteko bizitza $3\cdot 10^{-27}$segundo ingurukoa izango da gehienez, ziurgabetasun-printzipioaren ondorioz. bizitza-erdi labur horrek elkarrekintza ahularen irismena 10^-18 metrora mugatzen du, hau da, atomoaren nukleaoaren diametroa baino mila aldiz txikiagoa.

Interakzio motak

Oinarrizko hiru elkarrekintza ahul mota ditugu. Horietako bitan bosoi kargatuek hartzen dute parte eta "korronte kargatuko elkarrekintzak" izendatuko ditugu. Hirugarren mota "korronte neutroko elkarrekintzak" bezala ezagutzen dugu.

• Leptoi kargatu batek (adibidez elektroi bat edo muoi bat) W bosoi bat hartu edo eman dezake, horrela bosoi hori dagokion neutrinoan bilakatuz.

$$\mu ^{-}+W^{+}\longrightarrow \nu _{\mu }$$

• Behe-quark batek (-1/3ko karga duena) W bosoi bat hartu edo eman dezake, horrela bosoia goi-quark baten gainezarpen batean eraldatuz. Alderantziz ere gertatu daiteke, goi-quark batek behe-quark bat emanez.

$$d+W^{+}\longrightarrow u$$

$$c+W^{-}\longrightarrow s$$

$$d\longrightarrow u+W^{-}$$

$$c\longrightarrow s+W^{+}$$

• Leptoi batek edo quark batek Z bosoi bat hartu edo eman dezake.

$$e^{-}\longrightarrow e^{-}+Z^{0}$$

Beta desintegrazioa, adibidez, aldi berean gertatutako bi korronte kargatuko elkarrekintzen ondorio zuzena da. Korronte neutroko elkarrekintza 1974an ikusi zen lehen aldiz neutrinoen sakabanatzea gauzatzen zuen esperimentu batean.

Simetrien apurketa

Islatze-ispilu baten begiratzen badugu, izadiaren legeak berdinak izaten jarraitzen dute. Hau da, edozein esperimentutan espazio-euklidear guztiak inbertituz gero, neurketak mantendu egiten dira normalean. Fenomeno horri paritatearen kontserbazio legea deritzo. Lege hori grabitazio klasikoaren eta elektromagnetismoaren teorietan errespetatu egiten da, beraz lege unibertsala zela uste izan zen denbora luzez.

Chien-Shiung Wu 1963an Colombiako unibertsitatean.

Hala ere, 1950eko hamarkadan zehar, Chen Ning Yang-ek eta Tsung-Dao Lee-k, kalkulu matematikoan oinarrituz, elkarrekintza nuklear ahulean lege hau apur zitekeela esan zuten . Geroago, 1957an hain zuzen, Chien Shiung Wu-k eta bere lankideek Lee-k eta Yang-ek aurresandakoa esperimentalki frogatzeko gai izan ziren. Horri esker, aipatutako ikerlartzile taldeak 1957ko Fisikako Nobel Saria irabazi zuen.

Elkarrekintza ahula lau fermioiren arteko kontaktu-elkarrekintza moduan azaltzen bada ere (Fermiren teoria), paritatearen apurketaren frogapenak ikuspuntu berri bat eskatzen zuen. Horri erantzuna ematekotan, 1957. urtean Robert Mershak-ek, George Sudarshan-ek eta geroago Richard Feynman-ek eta Murray Gell-Mann-ek V-A (Bektore bat ken bektore axial edo lebogiro bat) lagrangearra proposatu zuten elkarrekintza ahulak azaltzeko. Honen arabera, elkarrekintza ahulak partikula lebogiroetan eta antipartikula destrogiroetan dauka eragina soilik. Partikula lebogiro baten ispilu-irudia partikula destrogiro bat denez (eta alderantziz), teoria horrek paritatearen apurketa azaltzen du.

Hala ere, teoria honek CP simetriaren kontserbazioa ahalbidetzen du. CP simetria bi simetrien konbinazio da: P simetria (ispilu inbertsioa) eta C simetria (partikula-antipartikula trukatzea). Baina ezusteko berri bat izan zuten fisikariek 1964. urtean. James Cronin-ek eta Val Fitch-ek kaoi baten desintegrazio burutu zutenean, argi ikusi zen CP simetria apurtu egin zitekeela. Horri esker Nobel Saria irabazi zuten 1980an.