El papel de los bosones W en la fuerza nuclear débil y la desintegración beta

A primera vista, los bosones W no son necesarios en absoluto en esos escenarios: podría modelar la interacción suponiendo que existe un acoplamiento directo entre las 4 partículas (neutrón, protón, electrón, neutrino), que es lo que Fermi propuso inicialmente. (ver Interacción de 4 puntos de Fermi ).

Así, tanto el$n+\nu \rightarrow p + e$la interacción y la decadencia$n\rightarrow p + e + \overline{\nu}$puede representarse esquemáticamente por: donde el tiempo fluye de izquierda a derecha.

Sin embargo, surgen problemas para este ansatz: como la energía del centro de masa (generalmente denotada$\sqrt{s}$) del neutrón y el neutrino que interactúan en el diagrama de la izquierda aumenta, también lo hace la sección transversal$\sigma(s)$computado en este contexto, de una manera sin sentido (probabilidades superiores a 1).

Una solución es 'completar UV' la teoría, es decir, completar la teoría especificando el comportamiento en el ultravioleta/a altas energías, abandonando por completo la interacción de contacto ingenua y reemplazándola con el intercambio de bosones W (esto no puede suceder solo para el diagrama de la izquierda; uno ha cambiado el modelo). Entonces, de hecho, en esta teoría completa, incluso el decaimiento de los neutrones se explica por el intercambio de un bosón W.

Comentarios finales:

• Para energías lo suficientemente bajas, la descripción de la interacción de 4 puntos es precisa y sigue siendo útil;
• En el modelo estándar, el bosón W se acopla a los quarks de los que están hechos el protón y el neutrón.

Aquí está el diagrama de Feynman de decaimiento de neutrones:

Un neutrón libre decaerá emitiendo un W-, que produce un electrón y un antineutrino.

y el diagrama para la dispersión de neutrones de neutrinos:

Esta interacción es la misma que la de arriba, ya que una W+ de derecha a izquierda equivale a una W- de izquierda a derecha.

En el marco de la mecánica cuántica, si un estado se encuentra en un nivel de energía más alto que un estado de nivel de energía más bajo permitido por la conservación del número cuántico, entonces se producirá un decaimiento.

El neutrón tiene una masa mayor, ~939MeV que los ~938 del protón, y la carga y el número de leptones se pueden conservar con el decaimiento que se muestra, por lo que ocurre con una probabilidad calculable y medible. Estos son los diagramas dominantes para estas reacciones, que dan probabilidades medibles para que las reacciones se desarrollen.

En el caso de la interacción, se debe suministrar energía para convertir un neutrón en un protón (y no esperar a que la naturaleza se salga con la suya por el decaimiento de la vida útil) y es suministrada por el neutrino entrante. En ambos casos, el W que tiene una masa de aproximadamente 100 GeV no está en su capa de masa. Es un intercambio virtual que lleva los números cuánticos de la W, pero los cuatro vectores intercambiados no tienen la masa de la W.

El bosón sirve como una partícula "propagadora de interacción". Es decir, es de corta duración y sirve como "portador" de la fuerza débil que gobierna la desintegración beta. Casos similares se encuentran en las interacciones fuertes donde los qluones juegan este papel o en el electromagnetismo, donde la fuerza electromagnética está mediada por fotones. No es necesario estudiar la teoría cuántica de campos para obtener una idea de estos asuntos. En cambio, una buena lectura sobre la teoría de Yukawa y las partículas virtuales sería de mucha ayuda.