L'interazione debole

L’interazione debole è una delle interazioni fondamentali della fisica della fisica, insieme all’interazione forte, a quella elettromagnetica e a quella gravitazionale. Agisce sia sui leptoni (come elettroni e neutrini) sia sui quark, e si manifesta tramite lo scambio di bosoni mediatori: $W^+$, $W^-$ e $Z^0$. Spesso è chiamata carica debole.

È l’unica forza capace di modificare il sapore delle particelle elementari, trasformando un quark o un leptone in un altro della stessa famiglia.

Per questo motivo è responsabile di processi come il decadimento beta nei nuclei instabili. Inoltre, poiché i neutrini vengono prodotti e rivelati attraverso interazioni deboli nei loro stati di sapore, questa forza è indirettamente coinvolta anche nel fenomeno delle oscillazioni dei neutrini.

Ha un raggio d’azione estremamente breve (circa $10^{-18}$ m) ed è molto meno intensa dell’interazione forte e di quella elettromagnetica. A basse energie la sua intensità effettiva può risultare fino a $10^11$ volte inferiore a quella elettromagnetica.

Va comunque precisato che i valori riportati per l’intensità delle interazioni sono soltanto ordini di grandezza indicativi a basse energie; in realtà le costanti di accoppiamento variano con l’energia del processo considerato. In generale, l’interazione debole ha un’intensità compresa tra circa $10^{5}$ e $10^{13}$ volte inferiore a quella della forza forte.

Nota. Pur essendo molto più debole, l’interazione debole svolge un ruolo fondamentale sia nella fisica delle particelle sia nei processi astrofisici, ad esempio nelle reazioni nucleari che alimentano le stelle.

Il decadimento beta e l'interazione debole

L’interazione debole è alla base del decadimento radioattivo beta, un processo attraverso il quale un nucleo atomico instabile può trasformarsi in uno più stabile. 

Un nucleo può essere instabile quando presenta un rapporto neutroni/protoni squilibrato.

Il decadimento beta consente al nucleo di riequilibrarsi trasformando un neutrone in protone o viceversa. Si tratta di una delle principali forme di radioattività naturale, accanto ai decadimenti alfa e gamma.

• Decadimento β⁻
  Un neutrone si trasforma in protone, con l’emissione di un elettrone e di un antineutrino elettronico:
   $ $n \;\;\to\;\; p + e^- + \bar{\nu}_e$$ A livello di quark, un quark down diventa un quark up tramite l’emissione di un bosone \$W^-\$ virtuale, che decade subito in \$e^-\$ e \$\bar{\nu}\_e\$.
  
• Decadimento β⁺
  Un protone si trasforma in neutrone, con l’emissione di un positrone e di un neutrino elettronico: $$p \;\;\to\;\; n + e^+ + \nu_e$$ Qui un quark up diventa down tramite l’emissione di un bosone \$W^+\$ virtuale, che decade in \$e^+\$ e \$\nu\_e\$.
  

  

Questo meccanismo permette al nucleo di modificare il proprio rapporto tra protoni e neutroni, avvicinandosi a una configurazione energeticamente più stabile.

Il decadimento beta, oltre a essere una delle cause della radioattività naturale, riveste un ruolo fondamentale nelle reazioni nucleari che alimentano le stelle, come quelle che avvengono nel Sole.

Tipi di interazioni deboli

Esistono due tipi di interazioni deboli.

• Interazioni deboli cariche
  Sono mediate dai bosoni $ W $.
• interazioni deboli neutre
  Sono mediate dai bosoni $ Z $.

Nota. Le interazioni deboli cariche erano note già dagli anni '3, dagli studi di Fermi sul decadimento beta. Viceversa, le interazioni deboli neutre furono scoperte più tardi, nel 1958, con i lavori di Glashow, Weinberg e Salam (modello GWS). si capì che, se l’interazione elettrodebole è corretta, i processi con scambio di $ Z $ devono essere necessari. Questa intuizione teorica venne confermata sperimentalmente al CERN nel 1973. Fu una svolta storica: fino ad allora si conoscevano solo i processi con $ W $, ma non con $ Z $.

Alcuni esempi tipici di interazioni deboli sono lo scattering neutrino-elettrone $ \nu_{\mu} + e^- \to \nu_{\mu} + e^- $ e lo scattering neutrino-protone $ \nu_{\mu} + p \to \nu_{\mu} + p $.

Scattering neutrino-elettrone

Lo scattering neutrino - elettrone è un processo in cui un neutrino ($\nu$) urta contro un elettrone ($e^-$) e lo devia, trasferendogli parte della sua energia e quantità di moto: $$ \nu + e^- \;\to\; \nu + e^- $$ È un’interazione molto rara perché i neutrini non hanno carica elettrica, quindi non subiscono interazioni elettromagnetiche. L’unico canale possibile è tramite l’interazione debole.

Lo scattering può avvenire in due modi distinti:

• Scattering neutro (mediatore $Z^0$)
  Avviene per tutti i tipi di neutrini ($\nu_e, \nu_\mu, \nu_\tau$).  Il neutrino entra, scambia un bosone $Z^0$ virtuale con l’elettrone, ed esce sempre come neutrino dello stesso tipo: $$ \nu_\mu + e^- \;\to\; \nu_\mu + e^-  $$
• Scattering carico (mediatore $W^\pm$)
  Avviene solo per i neutrini elettronici ($\nu_e$). Qui il neutrino si trasforma in elettrone scambiando un $W$ con l’elettrone iniziale, che a sua volta diventa un neutrino elettronico: $$ \nu_e + e^- \;\to\; e^- + \nu_e  $$ In pratica, il neutrino e l’elettrone si “scambiano di ruolo”.

Nota. Lo scattering neutrino - elettrone fu uno dei primi processi usati per confermare l’esistenza delle interazioni deboli neutre al CERN nel 1973. È un processo “pulito” perché non coinvolge nucleoni né interazioni forti, quindi permette di testare direttamente la teoria elettrodebole.

Scattering neutrino - protone

Lo scattering neutrino-protone è un urto in cui un neutrino interagisce con un protone.

Poiché i neutrini non hanno carica elettrica e non partecipano alle interazioni forti, l’unico canale possibile è l’interazione debole mediata da bosoni $W^\pm$ o $Z^0$.

Ci sono due grandi famiglie, analoghe al caso neutrino - elettrone:

• Scattering debole carico (CC, charged current)
  E' mediato dal bosone $W^\pm$.  Il neutrino si trasforma in una particella carica (leptone) e il protone si trasforma in un altro nucleone (protone ↔ neutrone). Ad esempio, un neutrino elettronico interagisce con il protone, produce un positrone e trasforma il protone in un neutrone. $$ \nu_e + p \;\to\; e^+ + n $$ Questo è in pratica il processo inverso del decadimento beta. 
• Scattering debole neutro (NC, neutral current)
  E' mediato dal bosone $Z^0$.  Il neutrino rimane dello stesso tipo e il protone rimane protone. Cambiano solo energia e direzione (urto elastico). Ad esempio, un neutrino muonico si scontra con un protone. $$ \nu_\mu + p \;\to\; \nu_\mu + p $$ Questo è stato il processo chiave per confermare nel 1973 al CERN l’esistenza delle correnti neutre.

Entrambi sono processi rarissimi, per osservarli servono rivelatori molto grandi e fasci intensi di neutrini.

così via.