La forza debole è una delle quattro forze fondamentali che governano tutta la materia nell’universo (le altre tre sono la gravità, l’elettromagnetismo e la forza forte). Mentre le altre forze tengono insieme le cose, la forza debole gioca un ruolo maggiore nelle cose che cadono a pezzi o decadono.
La forza debole, o interazione debole, è più forte della gravità, ma è efficace solo a distanze molto brevi. Agisce a livello subatomico e svolge un ruolo cruciale nell’alimentare le stelle e nella creazione di elementi., È anche responsabile di gran parte della radiazione naturale presente nell’universo, secondo il Thomas Jefferson National Accelerator Facility (Jefferson Lab).
Il fisico italiano Enrico Fermi ideò una teoria nel 1933 per spiegare il decadimento beta, che è il processo mediante il quale un neutrone in un nucleo si trasforma in un protone ed espelle un elettrone, spesso chiamato particella beta in questo contesto., “”Ha definito un nuovo tipo di forza, la cosiddetta interazione debole, responsabile per il decadimento, e il cui processo fondamentale è stata la trasformazione di un neutrone in un protone, un elettrone e un neutrino”, che è stato successivamente determinato a essere un anti-neutrino, ha scritto Giulio Maltese, un italiano di fisica storico, in “le Particelle dell’Uomo”, in un articolo pubblicato nel 2013 sulla rivista Lettera Matematica.
Secondo Maltese, Fermi inizialmente pensava che ciò implicasse una distanza zero o una forza adesiva per cui le due particelle dovevano effettivamente essere toccate perché la forza funzionasse., Da allora è stato dimostrato che la forza debole è in realtà una forza attraente che funziona a un raggio estremamente corto di circa lo 0,1% del diametro di un protone, secondo HyperPhysics, un sito web prodotto dalla Georgia State University.
Il Modello Standard
La forza debole è parte del campione teoria della fisica delle particelle, il Modello Standard, che descrive la struttura fondamentale della materia utilizzando un “elegante serie di equazioni,” secondo il CERN, l’Organizzazione Europea per la Ricerca Nucleare., Secondo il Modello Standard, le particelle elementari — cioè quelle che non possono essere divise in parti più piccole-sono gli elementi costitutivi dell’universo.
Una di queste particelle è il quark. Gli scienziati non hanno visto alcuna indicazione che ci sia qualcosa di più piccolo di un quark, ma stanno ancora cercando. Ci sono sei tipi, o” sapori”, di quark: up, down, strange, charm, bottom e top (in ordine crescente per massa). In diverse combinazioni, formano molte specie varie dello zoo di particelle subatomiche, secondo il Pittsburgh Supercomputing Center., Ad esempio, protoni e neutroni, le particelle “grandi” del nucleo di un atomo, consistono ciascuno di fasci di tre quark. Due alti e un basso fanno un protone; un alto e due bassi fanno un neutrone. Cambiare il sapore di un quark può cambiare un protone in un neutrone, cambiando così l’elemento in uno diverso.
Un altro tipo di particella elementare è il bosone. Queste sono particelle portatrici di forza che sono costituite da fasci di energia. I fotoni sono un tipo di bosone; i gluoni sono un altro. Ciascuna delle quattro forze deriva dallo scambio di particelle portatrici di forza., La forza forte è trasportata dal gluone, mentre la forza elettromagnetica è trasportata dal fotone. Il gravitone è teoricamente la particella di gravità che trasporta la forza, ma non è stato ancora trovato.
Bosoni W e Z
La forza debole è trasportata dai bosoni W e Z. Queste particelle sono state predette dai premi Nobel Steven Weinberg, Sheldon Salam e Abdus Glashow negli anni ‘ 60 e scoperte nel 1983 al CERN.
I bosoni W sono caricati elettricamente e sono designati dai loro simboli: W +(carica positiva) e W− (carica negativa)., Il bosone W cambia la composizione delle particelle. Emettendo un bosone W elettricamente carico, la forza debole cambia il sapore di un quark, che fa sì che un protone si trasformi in un neutrone, o viceversa. Questo è ciò che innesca la fusione nucleare e fa bruciare le stelle, secondo il CERN. La combustione crea elementi più pesanti, che alla fine vengono gettati nello spazio in esplosioni di supernova per diventare i mattoni per i pianeti, insieme a piante, persone e tutto il resto sulla Terra.
Il bosone Z è caricato in modo neutro e trasporta una debole corrente neutra., La sua interazione con le particelle è difficile da rilevare. Gli esperimenti per trovare i bosoni W e Z hanno portato a una teoria che combina la forza elettromagnetica e la forza debole in una forza “elettrodebole” unificata negli anni ‘ 60. Tuttavia, la teoria richiedeva che le particelle portatrici di forza fossero senza massa, e gli scienziati sapevano che il bosone teorico W doveva essere pesante per spiegare il suo breve raggio. Secondo il CERN, i teorici hanno rappresentato la massa del W introducendo un meccanismo invisibile chiamato meccanismo di Higgs, che richiede l’esistenza di un bosone di Higgs., Nel 2012, il CERN ha riferito che gli scienziati che utilizzano il più grande smasher atomico del mondo hanno osservato una nuova particella ” coerente con l’aspetto di un bosone di Higgs.”
Decadimento beta
Il processo in cui un neutrone si trasforma in un protone e viceversa è chiamato decadimento beta. Secondo il Lawrence Berkeley National Laboratory (LBL), “Il decadimento beta si verifica quando, in un nucleo con troppi protoni o troppi neutroni, uno dei protoni o neutroni viene trasformato nell’altro.”
Decadimento beta può andare in uno dei due modi, secondo il LBL., Nel decadimento beta meno, a volte annotato come β-decadimento, un neutrone decade in un protone, un elettrone e un antineutrino. In beta plusdecay, a volte annotato come decadimento β+, un protone decade in un neutrone, un positrone e un neutrino. Un elemento può cambiare in un altro elemento quando uno dei suoi neutroni si trasforma spontaneamente in un protone attraverso il decadimento beta meno o quando uno dei suoi protoni si trasforma spontaneamente in un neutrone attraverso il decadimento beta plus.
Cattura di elettroni
I protoni possono anche trasformarsi in neutroni attraverso un processo chiamato cattura di elettroni, o K-capture., Quando c’è un numero in eccesso di protoni rispetto al numero di neutroni in un nucleo, un elettrone, di solito dal guscio elettronico più interno, sembrerà cadere nel nucleo. Secondo Jacquelyn Yanch, professore nel dipartimento di ingegneria nucleare presso il Massachusetts Institute of Technology, in un documento del 2001 “Meccanismi di decadimento”, “Nella cattura di elettroni, un elettrone orbitale viene catturato dal nucleo genitore, ei prodotti sono il nucleo figlia e un neutrino.,”Il numero atomico del nucleo figlia risultante è ridotto di 1, ma il numero totale di protoni e neutroni rimane lo stesso.
Fusione nucleare
La forza debole gioca un ruolo importante nella fusione nucleare, la reazione che alimenta il sole e le bombe termonucleari (idrogeno). Il primo passo nella fusione dell’idrogeno è quello di distruggere due protoni insieme con abbastanza energia per superare la repulsione reciproca che sperimentano a causa della forza elettromagnetica. Se le due particelle possono essere portate abbastanza vicine l’una all’altra, la forza forte può legarle insieme., Questo crea una forma instabile di elio (2He), che ha un nucleo con due protoni, al contrario della forma stabile di elio (4He), che ha due protoni e due neutroni.
Il passo successivo è dove la forza debole entra in gioco. A causa della sovrabbondanza di protoni, una delle coppie subisce il decadimento beta. Successivamente, altre reazioni successive, inclusa la formazione intermedia e la fusione di 3He, alla fine formano 4HE stabili.