¿Por qué la interacción nuclear débil tiene un alcance más corto que la interacción nuclear fuerte?

Están mezclando dos cosas diferentes aquí.

La fuerza fuerte no funciona entre protones y neutrones, funciona entre quarks. Como efecto secundario de la forma en que funciona, también crea constantemente nuevas partículas, mesones. Este proceso de creación de partículas es conservador en el sentido de que si considera todas las partículas que se crean, su momento, carga, giro, etc., suman cero.

Son todos esos mesones que interactúan entre sí y los quarks los que dan lugar a una segunda fuerza, la fuerza nuclear . Es la fuerza nuclear la que "actúa sobre protones y neutrones para mantenerlos unidos entre sí dentro de los núcleos", no la fuerza fuerte. Por supuesto, uno es el resultado del otro, así que medio lleno... y es por eso que ves que se llama fuerza nuclear fuerte , o interacción fuerte o todo tipo de otros nombres solo para confundir las cosas.

La distancia sobre la que opera la fuerza nuclear es simplemente una función de la masa de los mesones y el principio de incertidumbre; todas las partículas virtuales con masa tienen un tiempo de vida máximo, y si simplemente ves qué tan lejos pueden llegar estos mesones en ese tiempo, presto, obtienes una distancia.

ACTUALIZACIÓN: Me di cuenta de que me perdí el cierre.

La fuerza débil también está mediada por partículas masivas, las W y las Z. Como los mesones en la fuerza nuclear, están sujetos a las mismas limitaciones de rango debido al principio de incertidumbre. Sin embargo, la masa de un mesón simple como un pión es de unos 100 MeV, mientras que la Z es de 90 GeV. ¡Eso es más pesado que un núcleo de hierro entero! Ahora puede sonar extraño que un objeto tan pesado se pueda crear ex nihlo dentro de algo como un núcleo de helio, que es mucho más liviano, pero esa es la idea del principio de incertidumbre, por un tiempo muy corto esto está permitido, y es por eso que es el rango es tan corto y la reacción es tan rara en comparación.

El rango de la interacción débil está directamente relacionado con la masa de los bosones de calibre, que adquieren debido a la ruptura de simetría espontánea (electrodébil) que le da al campo de Higgs un valor esperado de vacío distinto de cero. Wikipedia tiene más información sobre la teoría de la interacción electrodébil .

Una forma de entender la relación entre la masa del portador de fuerza y ​​el rango es considerar la teoría de campo clásica correspondiente a los bosones masivos: La ecuación de campo para el campo clásico correspondiente a las partículas masivas tiene soluciones que decaen exponencialmente alejándose de una fuente en un escala inversamente proporcional a la masa (tal relación fue propuesta por primera vez por Yukawa, quien inventó una teoría de las fuerzas nucleares basada en partículas escalares masivas hipotéticas, de manera similar, los fotones adquieren una masa efectiva en los superconductores y el campo eléctrico decae exponencialmente dentro de los superconductores).

La teoría original de la desintegración beta propuesta por Fermi , que es un precursor de la teoría moderna de la interacción débil, hizo que la interacción fuera una interacción de contacto entre los fermiones, por lo que primero se modeló para tener un rango cero.

Descargo de responsabilidad obligatorio: la respuesta "por qué" la fuerza débil tiene un alcance tan corto no se puede responder finalmente, ya que solo podemos responder esta pregunta con modelos teóricos de referencia y nada responde por qué la naturaleza es tal que la describen.

La fuerza débil tiene un alcance corto debido a su masa extremadamente alta. A diferencia de la fuerza fuerte que tiene gluones sin masa, la fuerza débil tiene bosones W y Z masivos. Esto hace que los bosones W y Z tengan un alcance corto y una de las fuerzas más débiles.