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 quotidiana. 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:

la trasformazione 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
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.

 Nota: la carica elettrica 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)
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.
disegno 5: nello stato finale l'elettrone e l'antineutrino si allontanano dal protone.

 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 e solo di rado due particelle si trovano 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 S. Glashow , A. Salam e S. Weinberg (insigniti del premio Nobel per la fisica nel 1979) si sono accorti che le interazioni deboli ed elettromagnetiche emergono da una singola teoria delle interazioni elettrodeboli. Questa realizzazione costituisce un ulteriore passo in avanti verso l'unificazione di tutte le forze fondamentali dopo l'unificazione delle interazioni elettriche e magnetiche eseguita da Maxwell nell’800.