Scienzapertutti

5. L'interazione debole

di Patrizia De Simone

La forza debole è quella che si discosta di più dalla nozione di forza della nostra esperienza quoditiana. L'interazione debole non contribuisce tanto alla coesione della materia quanto alla sua trasformazione. Come esempio consideriamo una particolare manifestazione delle interazioni deboli, il decadimento beta: scienzapertutti_decadimentobeta

la trasfomazione di un neutrone in un protone più un elettrone e un antineutrino della famiglia dell'elettrone. Seguiamo le singole fasi di questa trasformazione:

disegno 1: lo stato iniziale è un neutrone composto da due quark down e un quark up

ms fig 1

disegno 2: un quark down interagisce con il campo associato all'interazione debole ed emette il mediatore di quel campo, il bosone intermedio W, trasformandosi in un quark up.

ms fig 2

 

 Nota: la carica iniziale del quark down è -1/3, mentre la carica finale è la somma della carica del quark up (2/3) e del bosone W (-1). Questo vuol dire che la carica totale in un processo di trasformazione - o come tecnicamente si dice di "decadimento debole" - si conserva.

disegno 3: il neutrone iniziale è ora diventato un protone (ricordiamo che un protone è composto da due quark up e di uno down)

ms fig3

disegno 4: il bosone W decade in un elettrone (carica elettrica -1) e in un anti-neutrino (privo di carica elettrica). Anche in questo passaggio la carica elettrica è conservata.

ms fig4
disegno 5: nello stato finale l'elettrone e l'antineutrino si allontanano dal protone. ms fig5

 Il processo appena descritto è alla base del fenomeno della radioattività di alcuni atomi come l'Uranio 238.

In generale, le interazioni deboli sono responsabili del decadimento di quark e leptoni. Le particelle mediatrici delle interazioni deboli sono due bosoni W - uno con carica elettrica positiva ed uno con carica elettrica negativa - e un bosone Z con carica elettrica nulla, tutti e tre hanno massa diversa da zero. Il raggio d'azione della forza debole è estremamente piccolo, al limite possiamo dire che è puntiforme, cosicché è improbabile che due particelle si trovino abbastanza vicine da sentire l'una la forza dell'altra. Il raggio d'azione della forza è così piccolo perché i bosoni W e Z che la mediano sono molto pesanti (il bosone W è 80 volte la massa del protone, mentre il bosone Z è 91 volte la massa del protone), così pesanti che è difficile per due particelle scambiarseli! Ne segue che anche l'intensità relativa delle interazioni deboli è estremamente piccola, tanto piccola che i processi di decadimento sono in generale eventi molto rari.

Negli anni Settanta, le interazioni deboli icona_glossario ed elettromagnetiche sono state descritte nell'unica teoria delle interazioni elettrodeboli da S. Glashow icona_biografia, A. Salam icona_biografia e S. Weinberg icona_biografia (insigniti del premio Nobel per la fisica nel 1979) che realizzarono un ulteriore passo in avanti verso l'unificazione di tutte le forze fondamentali dopo quella delle interazioni elettriche e magnetiche eseguita da Maxwell nell'800.

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