Interazione debole

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Il 16 agosto del 2010 moriva a Roma il fisico Nicola Cabibbo.
Si laureò in fisica nel 1958 discutendo una tesi sulle interazioni deboli e successivamente descrisse tutti i processi che possono prevedibilmente nascere dall’urto ad alta energia fra elettroni e positroni.

Ancora non si conoscevano i quark, ma Cabibbo già spiegava come tre di loro potessero, per esempio, ritrovarsi in un protone o in un neutrone. Spiegava, in altri termini, come possa esistere quella che noi chiamiamo la “materia ordinaria”.

In pratica il “mescolamento” di quark spiegato in anticipo da Nicola Cabibbo è oggi alla base della cromodinamica quantistica e del Modello Standard delle Alte Energie; ovvero di tutta la fisica delle particelle elementari.

Ma cosa sa la gente di questa interazione debole?
La gente comune sa poco o nulla o comunque in maniera confusa. Allora voglio schiarirmi le idee anch’io e con me chi lo vuole senza andare troppo in profondità, perchè è cosa complicata anche per i fisici teorici.

La interazione (forza) debole è responsabile del decadimento beta dei nuclei atomici, associato alla radioattività.

Questa è la definizione classica, ma detta in questa maniera, sinceramente è difficile immaginare che la casalinga di Verona abbia capito, né tanto meno tutti noi.
Allora cerchiamo di capirci qualcosa, o per meglio dire vi racconto come  l’ho capita io.

Il fatto che la materia delle galassie, la Terra e noi stessi siamo tenuti assieme implica una stabilità delle particelle dell’atomo e la esigenza di una notevole quantità di energia.

Ogni atomo è formato da un nucleo contenente protoni, neutroni e da un numero di elettroni che gli orbitano intorno, equivalente a quello dei protoni. Essendo i protoni carichi positivamente essi tendono a respingersi per via della forza di Coulomb e, se non ci fossero altre forze a tenerli uniti, i nuclei non sarebbero stabili.
A rendere stabili i nuclei atomici ci pensa la cosiddetta “forza nucleare forte”.

Forza nucleare forte.
Ora sappiamo che i protoni e neutroni sono composti rispettivamente da tre quark. Sappiamo anche come agisce la forza nucleare forte a tenerli uniti, anche se non è tutto ancora completamene chiaro, infatti è di recente la scoperta di tetraquark e pentaquark, neutroni e protoni con quattro e cinque quark.

Possiamo dire per semplificare le cose che i tre quark sono tenuti assieme da particelle, gluoni, che li incollano e li tengono confinati all’interno del nucleo. Queste particelle, apparentemente prive di massa, trasmettono la più intensa forza di tutte le forze.  Per distinguerli dalle altre particelle elementari i fermioni (quark, elettroni, neutrini), vengono chiamati “mediatori” della forza nucleare forte ed agiscono come degli elastici la cui forza (interazione forte) diventa più debole nelle vicinanze dei quark, diventa più intensa da lontano e assente al difuori dei neutroni e protoni.

A tenere assieme i quark ci sono altre particelle anche loro mediatrici della interazione forte, pioni e mesoni composti da un quark e antiquark, che non stiamo qui a trattare per non complicare le cose.
Ogni qual volta quark e gluoni interagiscono tra loro in questa mutua azione di tira e molla i quark variano di carica (forza) che i fisici chiamano carica di colore.

E’ con questo meccanismo di tira e molla tra quark e gluoni che i quark sono tenuti assieme rendendo il nucleo stabile.

I fisici spiegano che tutto questo fa parte di un meccanismo chiamato “simmetria di gauge”, simmetria in scala locale, difficile da spiegare.
In poche parole sappiamo che una figura è simmetrica se la sua forma non varia quando viene sottoposta a trasformazioni quali traslazioni, rotazioni o riflessioni, al variare cioè della sua posizione nello spazio. Questo avviene anche nel campo delle particelle. Quindi la simmetria è considerata come indice di equilibrio, di stabilità. Ovvero per quanto le particelle (quark) cambino colore (forza) “mescolandosi” tra loro, il nucleo mantiene tutte le sue caratteristiche di simmetria.

Fin qui tutto facile mi pare.
A questo punto potremmo concludere dicendo che tutto è chiarito. La interazione forte rende stabile il nucleo e di conseguenza l’universo, la Terra, noi stessi. La simmetria rispettata.

Ma quando le forze all’interno del nucleo non sono però perfettamente bilanciate (ovvero il nucleo è instabile) questo tende spontaneamente a raggiungere uno stato stabile attraverso l’emissione di una o più particelle.
Perché?

Anche stavolta parto da lontano per capire meglio.
Molti degli isotopi esistenti in natura sono stabili, però alcuni isotopi naturali e buona parte degli isotopi artificiali sono instabili. Tale instabilità induce la spontanea trasformazione in altri isotopi (rottura della simmetria) che si accompagna con l’emissione di particelle atomiche. Questi isotopi sono chiamati isotopi radioattivi. La disintegrazione (o decadimento radioattivo) è la trasformazione di un atomo radioattivo che decade in un altro atomo, il quale può essere anch’esso radioattivo oppure stabile.

Questo fenomeno viene chiamato decadimento beta dei nuclei atomici, associato alla radioattività, per il quale un neutrone si trasforma in un protone con l’emissione di elettroni (radiazione beta) e neutrini.

Ebbene la causa di tutto ciò è attribuita alla forza nucleare debole.

Forza nucleare debole.
L’interazione debole è l’unica a provocare un cambiamento nella carica di sapore (forza) delle particelle coinvolte, e soprattutto è l’unica forza a violare la simmetria (rottura della simmetria), e più precisamente la simmetria di parità P, la simmetria di carica C e la simmetria CP delle particelle.
La forza nucleare debole è l’unica forza che provoca la trasformazione di un atomo, poco stabile, che decade in un altro atomo più stabile.

In altre parole:

mentre l’interazione forte tende a rendere uniti i quark con la collaborazione dei suoi mediatori, “gluoni”, la forza debole non contribuisce alla coesione dei quark quanto alla sua “trasformazione”. In sostanza contribuisce a rendere stabile la materia.

Ok, penserete voi, ma chi è causa di tutto ciò? Ovvero in che modo agisce la forza nucleare debole sui quark?
Bene, siamo arrivati al nocciolo della questione.
Anche la interazione debole agisce attraverso i suoi mediatori “personali”, le particelle con le quali i quark si scambiano le forze. Questo avviene tramite alcune particelle chiamate bosoni, i bosoni del gauge, i cosiddetti “bosoni deboli” W e Z, che non funzionano come dei collanti tra i quark come i loro cugini gluoni. Essi sono responsabili del cambiamento di coesione (colore) tra i quark. Sappiamo infatti che ogni quark di tipo “up” (up, charm e top) può cambiarsi in un quark di tipo “down” (down, strange e bottom) e viceversa.

Questo, sotto l’azione della interazione debole, avviene quando uno dei quark di tipo down (d) del neutrone (udd) decade in un quark di tipo up (u) emettendo il suo bosone virtuale W che trasforma il neutrone in un protone con due quark up  ed un quark down (uud). Il bosone W decade in un elettrone e un antineutrino elettronico.

Il meccanismo di trasformazione del sapore provoca un processo radioattivo chiamato decadimento beta.

A questo punto (credo) che vi state domandando perchè è considerata una forza debole.
Chiariamo anche questo.

I bosoni di gauge sono particolarmente massivi, l’interazione debole ha un raggio dell’interazione molto ridotto e dunque azioni molto deboli. Infatti proprio a causa della grande massa di W e Z (circa 80 e 90 GeV/c²), la vita media di questi bosoni è molto breve di circa 3 × 10⁻²⁴ secondi.

Questo aspetto limita considerevolmente il raggio d’azione dell’interazione debole, che risulta  più o meno 10⁻¹⁸ metri, circa mille volte più piccolo del diametro del nucleo atomico.
La debole intensità dell’interazione debole fa sì che i decadimenti in cui è coinvolta siano più lenti di quelli elettromagnetici (che hanno tempi tipici di decadimento dell’ordine di 10⁻¹⁶ secondi) o di quelli relativi all’interazione forte (con tempi di decadimento dell’ordine di 10⁻²³ secondi).

La contraddizione.
In tutto questo ragionamento c’è una contraddizione di fondo che contrasta con il Modello Standard.
Infatti perché sia conservata l’invarianza di gauge (simmetria locale delle particelle),  i bosoni di gauge sono descritti matematicamente come particelle prive di massa e di conseguenza per forze a lungo raggio. La contraddizione tra questa teoria e l’evidenza sperimentale riguardante il corto raggio della interazione elettrodebole ha richiesto ulteriori approfondimenti teorici sfociati nel meccanismo di Higgs. Si ritiene che questo meccanismo del bosone di Higgs che da materia alle particelle conduca alla formazione dei bosoni W e Z massivi a partire da particelle inizialmente senza massa.

 In conclusione l’interazione debole rappresenta un equilibrio fra le forze interiori dei diversi quark. Ha raggio d’azione breve ed è 100.000 volte più debole della forza forte. Questa forza non è in grado di tenere unite delle particelle e, data la sua debolezza, si spezza l’equilibrio tra i quark e permette al neutrone di scindersi in un protone, elettrone e neutrino (decadimento beta).

Possiamo concludere dicendo che questo evento è regolato dal decadimento dovuto alla forza di interazione debole.

Tutto chiaro?
Mica tanto – osserva il mio cane che sembrava che dormisse.
Beh, io ci ho provato.

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