Elkarrekintza nuklear ahul

Elkarrekintza ahula, elkarrekintza nuklear ahula, indar ahula edo indar nuklear ahula ere baderitzona, partikula subatomikoen arteko elkarrekintza-mekanismoa da. Gaur egun elkarrekintza ahula teminoa hobesten da, inguruko hizkuntzetan egiten den antzera —"weak interaction" ingelesez, "interacción débil" gaztelaniaz, eta "inteaction faible" frantsesez—, zeren, efektu erakarle edo aldarazleak sortzeaz gain, elkarrekintza ahulak partikulen izaera-aldaketa ere sor baitezake. Bestalde, "ahul" deritzo, beraren indarra elkarrekintza nuklear bortitzean agertzen den indarra baino $10^{13}$ aldiz txikiagoa delako. Elkarrekintza ahula irismen oso laburrekoa da: $10^{-18}{\text{ m}}$; nolanahi ere, distantzia txiki horietan elkarrekintza grabitatorioa baino askoz intentsoagoa da. Indar nuklear ahulak garrantzi handia du fisio nuklearrean, zeren nukleoaren eremu oso txikietan eragiten baitu, distantzia subatomikoetan hain zuzen ere. Naturan ageri diren lau oinarrizko elkarrekintzetako bat da, elektromagnetismo, indar nuklear bortitz eta grabitazioarekin batera.

Elkarrekintza ahularen efekturik ezagunenak beta desintegrazioa eta erradioaktibitatea dira. Halaber, izarretan gertatzen den fusio nuklearraren jatorrian ere badago. Elkarrekintza ahulak eragina du fermioi ezagun guztietan, hala nola elektroi, quark eta neutrinoetan.

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.

Elkarrekintza ahularen historia laburra

Henry Becquerel

Elkarrekintza ahularekin erlazionaturiko fenomenoak ezezagunak ziren XIX. mendearen bukaera arte, Henry Becquerel-ek (1852-1908) 1896an aurkitu baitzuen erradioaktibitatea izeneko fenomeno berria. Hortik aurrera arlo horretako garapena gertatu zen eta hainbat ikerkuntza egin ziren fenomeno berri hori ulertzeko, fisika nuklearra garatzeko eta fenomeno berriak azalduko zituen teoria egokia osatzeko. Atal honetan, elkarrekintza ahularen teoria osatzeko bidean emaniko pauso batzuk aipatuko dira.

Enrico Fermi

Beta erradioaktibitatea azaltzeko lehenengo teoria

Esan bezala erradioaktibitatea 1896an aurkitu zen, eta handik gutxira, 1898an, Rutherford (1871-1937) konturatu zen uraniodun mineral batean bi erradiazio desberdin emititzen zirela, alfa (α) eta beta (β) motako erradioaktibitateak deituko zirenak. Geroago, XX. mendearen lehen laurdenean hainbat aurrerapen egin ziren prozesu erradioaktiboetan gertatzen ziren energia-galerak ezagutzeko. Horietan oinarriturik, 1930ean, Wolfgang Pauli-k (1900-1958) iradoki zuen partikula neutro oso arina baina ordura arte behatu gabea emititu behar zela, geroago neutrinoa deituko zena. Datu horiek kontuan izanik, 1933an Enrico Fermi (1901-1954) fisikari italiarrak β erradioaktibitatearen teoria proposatu zuen. Teoria horrek lau fermioirekin (neutroia, protoia, elektroia eta neutrinoa) gertaturiko elkarrekintzak aurreikusten zituen, nolabait elkarrekintza ahularen lehen bertsioa osatuz.

Chien Shiung Wu

Simetria-hausketa

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.

• 
  Steven Weinberg
• 
  Sheldon Glashow
• 
  Abdus Salam

Sheldon Glashow	Abdus Salam	Steven Weinberg

Elkarrekintza ahula azaltzeko teoria bateratua

Simetria-hausturaren aurkikuntzak areagotu egin zuen arlo horretako ikerkuntza teorikoa eta Richard Feynman (1918-1988) eta Murray Gell-Mann-en (1929-2019) bultzadarekin bi hamarkadatan zehar proposamenak egin ziren Fermiren teoria aldatzeko.  Azkenean, urte horietan eginiko lanaren emaitza modura, 1968an Sheldon Lee Glashow (1932), Abdus Salam (1926-1996) eta Steven Weinberg (1933) lankideek indar elektromagnetikoaren eta elkarrekintza ahularen teoriak bateratu zituzten. Frogatu zutenez, bi indarrok indar bakar baten bi aldaera dira, orain indar elektroahula deritzona eta horri esker 1979an, hirurok batera Fisikako Nobel saria jaso zuten elkarreragin ahularen eta interakzio elektromagnetikoaren arteko bateratze teorikoari egindako ekarpenengatik. Hala, elkarrekintza elektroahularen eredu estandarra sortu zuten. Haren existentzia bi etapatan frogatu zen esperimentalki. Lehenik eta behin, 1973an korronte neutroak aurkitu ziren. Gero, 1 W eta Z bosoien frogatu zen teorikoki, baina horien existentzia ez zen 1983. urtera arte berretsi eseprimentu bidez. Hain zuzen ere,1984an Carlo Rubbia-k (1934) eta Simon van der Meer-ek (1925-2011)Fisikako Nobel Saria jaso zuten esperientzia horiekin egindako ekarpenagatik.

Oinarrizko kontzeptuak

Partikulen Fisikako Eredu Estandarra

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.

Beta desintegrazioa posible da elkarrekintza nuklear ahulari esker. Bertan, neutroi bat hiru partikulatan banatzen da, protoi bat, elektroi bat eta antineutrino elektroniko bat sortuz.

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.

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.

Bibliografia

• Paul Davies (1986) The Forces of Nature, 2nd ed. Cambridge Univ. Press. ISBN-13: 978-0521313926
• Richard Feynman (1967) The Character of Physical Law. MIT Press. ISBN 0-262-56003-8
• Schumm, Bruce A. (2004) Deep Down Things. Johns Hopkins University Press. ISBN13 9780801879715
• Steven Weinberg (1993) The First Three Minutes: A Modern View of the Origin of the Universe. Basic Books. ISBN 0-465-02437-8
• Steven Weinberg (1994) Dreams of a Final Theory. Vintage Books. ISBN 0-679-74408-8
• J.R. Etxebarria (1994) Teoria fisikoen oinarriak. Udako Euskal Unibertsitatea (UEU) ISBN: 84-86967-57-0

Ikus, gainera

• Eredu Estandarra
• Oinarrizko elkarrekintzak
• Elkarrekintza nuklear bortitza

Kanpo estekak

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