Fuerzas Fundamentales

La Fuerza Fuerte

Una fuerza que puede mantener unido un núcleo en contra de las enormes fuerzas de repulsión de los protones, es realmente fuerte. Sin embargo, no es una fuerza de la inversa del cuadrado como la fuerza electromagnética, y tiene un alcance muy corto. Yukawa modeló la fuerza fuerte como una fuerza de intercambio, en el que las partículas de intercambio son piones, y otras partículas mas pesadas. El rango de una fuerza de intercambio de partícula, está limitado por el principio de incertidumbre. La interacción fuerte es la más intensa de las cuatro fuerzas fundamentales.

Dado que los protones y los neutrones que componen el núcleo, se consideran que están hechos de quarks, y los quarks se consideran que se mantienen juntos por la fuerza de color, la fuerza fuerte entre los nucleones puede ser considerada como una fuerza de color residual. En el modelo estándar, por lo tanto, la partícula básica de intercambio es el gluón, que media las fuerzas entre los quarks. Dado que los gluones y los quarks individuales están contenidos dentro del protón o del neutrón, las masas que se les atribuyen, no se puede usar en las fórmulas de rango para predecir el rango de la fuerza. Cuando se ve algo que emerge de un protón o un neutrón, entonces debe ser por lo menos un par quark-antiquark, por lo que es entonces plausible que el pión como el meson más ligero, debería servir como un predictor del rango máximo de la fuerza fuerte entre los nucleones.

Este boceto, es un intento de mostrar una de las muchas formas que podría tomar la interacción del gluón entre los nucleones. Este involucra la producción y aniquilación de un par up-antiup, produciendo un cerramiento π^- de los nucleones.

La Fuerza Electromagnética

Una de las cuatro fuerzas fundamentales, la fuerza electromagnética, se manifiesta a través de las fuerzas entre las cargas (Ley de Coulomb), y la fuerza magnética, las cuales, se resumen en la ley de la fuerza de Lorentz. Fundamentalmente, las dos fuerzas magnética y eléctrica, son manifestaciones de una fuerza de intercambio que implica el intercambio de fotones. El enfoque cuántico de la fuerza electromagnética, se denomina electrodinámica cuántica o QED. La fuerza electromagnética es una fuerza de rango infinito que obedece a la ley de la inversa del cuadrado, y es de la misma forma que la fuerza de la gravedad.

La fuerza electromagnética mantiene unidos a los átomos y las moléculas. De hecho, las fuerzas de atracción y repulsión eléctrica de las cargas eléctricas son tan dominantes sobre las otras tres fuerzas fundamentales, que estas pueden ser consideradas como insignificantes en la determinación de la estructura atómica y molecular. Incluso los efectos magnéticos suelen ser evidentes sólo a altas resoluciones, y actúan como pequeñas correcciones.

La Fuerza Débil

Una de las cuatro fuerzas fundamentales, la interacción débil, implica el intercambio de los bosones vectoriales intermedios, el W y el Z. Puesto que la masa de estas partículas es del orden de 80 GeV, el principio de incertidumbre dicta un rango de unos 10^-18 metros, que es aproximadamente el 0,1% del diámetro de un protón.

La interacción débil cambia el sabor de un quark en otro. Es crucial para la estructura del universo en que

1. El sol no quemaría sin ella, ya que la interacción débil causa la transmutación p -> n, para que pueda formarse deuterio y pueda tener lugar la fusión del deuterio.

2. Es necesario para la acumulación de núcleos pesados.

El papel de la fuerza débil en la transmutación de quarks: la interacción está implicada en muchos decaimientos de partículas nucleares, que requieren el cambio de sabor de un quark en otro. Fue en la desintegración radiactiva tal como el decaimiento beta, donde primero se reveló la existencia de la interacción débil. La interacción débil es el único proceso en el que un quark puede cambiarse en otro quark, o un leptón en otro leptón -los así llamados "cambios de sabores"-.

El descubrimiento de las partículas W y Z en 1983, fue aclamado como una confirmación de las teorías que conectan la fuerza débil con la fuerza electromagnética, en la unificación electrodébil.

La interacción débil actúa entre ambos, los quarks y los leptones, mientras que la fuerza fuerte no actúa entre leptones. "Los leptones no tienen color, por lo que no participan en las interacciones fuertes; los neutrinos no tienen carga, por lo que no experimentan fuerzas electromagnéticas, pero todos ellos participan en las interacciones débiles."(Griffiths)

Diagramas de Feynman en la Fuerza Débil

Un neutrón libre, decaerá emitiendo un bosón W-, el cual produce un electrón y un antineutrino.

Cuando un neutrino interactúa con un neutrón, puede ser intercambiado un W-, transformando el neutrón en un protón, y produciendo un electrón.

Esta interacción es la misma que la de la izquierda, puesto que un W+ yendo de derecha a izquierda, es equivalente a un W- yendo de izquierda a derecha.

Un neutrón o un protón puede interactuar con un neutrino o un antineutrino, mediante el intercambio de un Z0.

Una de las cuatro fuerzas fundamentales, la interacción débil, implica el intercambio del bosón vectorial intermedio, W y el Z. Como la masa de estas partículas es del orden de 80 GeV, el principio de incertidumbre dictamina un rango de unos 10^-18 metros, que es alrededor del 0,1% del diámtetro del protón. La interacción débil cambia el sabor de un quark en otro. Por ejemplo, en el decaimiento del neutrón dibujado en el diagrama de Feynman de arriba a la izquierda, un quark down se cambia en un quark up, transformando el neutrón en un protón.

Los vértices primitivos en los diagramas de Feynman para la interacción débil, son de dos tipos: cargado y neutral. Para los leptones toman la siguiente forma

El electrón es usado como un ejemplo en estos diagramas, pero cualquier leptón puede ser sustituido en el lado de la entrada. El lado de salida (arriba) será el mismo para el vértice neutro, pero determinado por la carga del W en el vértice cargado. Además de conservar la carga, el vértice debe conservar el número de leptones, por lo que el proceso con el electrón puede producir un neutrino electrónico pero no un neutrino muón.

La interacción neutral es más fácil de concebir, pero rara vez se observa, ya que compite con la interacción electromagnética mucho más fuerte, y queda enmascarada por ella.

Con los vértices cargados, se puede postular una interacción como μ, υe -> e, υμ y dibujar un diagrama de Feynman para ello. Esta interacción no es probable que se observe debido a la increíble dificultad de observar la dispersión de neutrinos, pero sugiere otras interacciones que pueden ser obtenidas por rotación o torsión del diagrama.

Con una torsión del diagrama de Feynman de arriba, se puede llegar a la interacción responsable del decaimiento del muón, por lo que las estructuras obtenidas a partir de los vértices primitivos se puede usar para construir una familia de interacciones. La transformación entre los dos diagramas de Feynman también puede ser vista como un ejemplo de simetría de cruce. Diagramas de Feynman Torcidos y Simetría de Cruce

Los vértices cargados en la interacción débil con quarks, toma la forma

Así se ve que el quark cambia su sabor cuando interactúan a través del W^- o W⁺. Como está dibujada, esta interacción no puede ser observada, ya que implica el aislamiento de un quark up. Los quarks aislados no son observados, debido al confinamiento de quark. Pero rotando el diagrama de Feynman, da una interacción alternativa, mostrada abajo para ambos productos, electrón y muón.

Esto manifiesta el mecanismo de la interacción débil en el decaimiento del pión, el cual se observa que sucede, por el camino del muón.

La interacción débil en la formación del electrón de arriba a la izquierda, es responsable del decaimiento del neutrón y del decaimiento beta en general.