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. Hauek energia oso altuetan gauzatzen direnez, Heisenberg-en ziurgabetasun-printzipioari jarraituz, hots,

$$\Delta E\cdot \Delta t\geq {\frac {\hbar }{2}},$$

erreakzioak oso bizitza laburrekoak izaten dira.

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 protoiena edo neutroiena batenak baino askoz handiagoa da, zentzuzkoa dena indar ahularen eremu laburrarekin alderatuta.

Orain arte aipatutako partikulek, neutroiak, protoiak, adibidez, quarkez osatuta daude. Azken hauek sei "zapore" desberdinetan banantzen dira: up, down, strange, charm, top eta bottom. Elkarrekintza nuklear ahulean, quarkak zaporez aldatu dezakete indar-eramale diren bosoien bidez. $\beta ^{-}$ desintragazioan adibidez, neutroi baten down quark batek up quark baten bihurtzen da. Ondorioz, neutroi horrek protoi baten bihurtzen 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. Bestalde, karga paritate simetriak bere barnean paritate-simetria duenez bebai apurtzen da.

Historia

1933. 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 hori irispide gabeko kontaktu-indar batek eragingo luke.

Hala ere, azalpen hobea eman zen geroago aipatutako elkarrekintza irismen oso txikia duen irismen finituko indar kontaktugabeen eremutzat hartuta. 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. urtera 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, eta hori nahiko ezaugarri ezohikoa da. Hori azaldu ahal izateko Eredu Estandarean aurki 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 nukleoaren diametroa baino mila aldiz txikiagoa.

Interakzio motak

Oinarrizko hiru elkarrekintza ahul mota ditugu. Horietako bitan bosoi kargatuek hartzen dute parte, eta "korronte kargatuko elkarrekintzak" esaten zaio. Hirugarren motari "korronte neutroko elkarrekintzak" deritzo.

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

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

• Behe-quark batek (-1/3ko karga duena) W bosoi bat hartu edo eman dezake, eta horrela bosoia goi-quark baten gainezarpen batean bihurtu. Alderantziz ere gerta daiteke, eta goi-quark batek behe-quark bat ematen du orduan.

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

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

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

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

• 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 kargatuen arteko elkarrekintzen ondorio zuzena da. Korronte neutroko elkarrekintza 1974an ikusi zen lehen aldiz neutrinoen sakabanatzea gauzatzen zuen esperimentu batean.

Simetrien apurketa

Ispilu arrunt baten begiratzen badugu, izadiaren legeek 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 hori apur zitekeela esan zuten. Geroago, 1957an hain zuzen, Chien Shiung Wu-k eta haren 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. Proposamen horren arabera, elkarrekintza ahulak soilik partikula lebogiroetan eta antipartikula destrogiroetan dauka eragina. Partikula lebogiro baten ispilu-irudia partikula destrogiro bat denez (eta alderantziz), Fermiren teoria horrek paritatearen apurketa azaltzen du.

Hala ere, teoria horrek CP simetriaren kontserbazioa ahalbidetzen du. CP simetria bi simetria motaren konbinazioa 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 desintegrazioa burutu zutenean, argi ikusi zen CP simetria apurtu egin zitekeela. Horri esker Nobel Saria irabazi zuten 1980an.

Ikus, gainera

• Eredu Estandarra
• Elkarrekintza nuklear bortitza

Kanpo estekak

• Datuak: Q11418
• Multimedia: Weak nuclear force / Q11418