¿Qué sucede durante una interacción débil?

Por ejemplo, durante β − decaer un W − Se emite un bosón cambiando un quark up a un quark down. Esto me parece muy extraño, ya que parece que el quark up no está interactuando con alguna otra partícula, sino que simplemente se desintegra repentinamente al emitir un bosón. ¿Es este proceso algo así como un electrón que cae en un estado de menor energía al emitir fotones? O hay algo más sucediendo. ¿Y cuáles son algunas otras formas en que tienen lugar las interacciones débiles? Y no tengo ni idea de lo que Z el bosón lo hace. ¿Por qué y cómo interactúan las partículas con Z bosones?

Puedes pensar en ello como tres campos cuánticos que interactúan en un punto. Una excitación en el campo de quarks up es reemplazada por excitaciones en el campo de quarks down y el campo de bosones W. No es muy diferente a las ecuaciones diferenciales como la de Maxwell, excepto que existe una incertidumbre cuántica además de la dinámica del campo.
@MitchellPorter Entonces, ¿es algo así como que hay una cierta probabilidad de que ocurra esta configuración y que suceda? ¿En qué se parece al de Maxwell? ¿Es como una excitación en el campo eléctrico produce una excitación en el campo magnético?
El bosón AZ es el portador neutral de la fuerza débil.

Respuestas (1)

El Universo está permeado por un montón de campos cuánticos. Estos son fermiónicos (como el campo de electrones o el campo de quarks) o bosónicos, como el campo electromagnético. A m (el "fotón"), o los tres campos de indicador de interacción débil W ± Z 0 (el " W + , W + , Z 0 bosones").

A m está en el contexto de la teoría cuántica de campos del electromagnetismo, llamada QED . Para volver a los conceptos "clásicos" de campos eléctricos y magnéticos, A m está relacionado con el tensor de Faraday que contiene mi y B .

Siempre hay una posibilidad finita distinta de cero de interacción entre los diversos campos. Como saben por la mecánica cuántica, el resultado real de la interacción es probabilístico. Lo que significa que tienes que esperar un "promedio" de decir tiempo τ para que se produzca una interacción. Lo que esto significa en la práctica es que dada una gran cantidad de partículas que interactúan norte , A tiempo τ un número de partículas norte / mi han interactuado. Si este tiempo es corto, se dice que la interacción es fuerte; de ​​lo contrario, es débil. Tienes que esperar, en promedio, mucho tiempo para ver que algo suceda.

Una interacción débil es solo un tipo de interacción.
Una partícula cargada eléctricamente ve el campo electromagnético y puede interactuar con él emitiendo/absorbiendo fotones. † que luego pueden ser absorbidos/emitidos por otras partículas cargadas, causando atracción/repulsión entre partículas cargadas diferentes y similares.

Análogamente, algunas partículas (todas las partículas existentes, en realidad) tienen otra carga llamada isospín débil . Esto les permite "ver" e interactuar con los campos débiles, W ± y Z 0 . Pueden emitir/absorber † estos bosones, que luego pueden desintegrarse en otras partículas, como usted ha descrito en la desintegración beta.

El ± y 0 se refieren a la carga eléctrica de los bosones débiles. Interactuarás con el W o el Z según la conservación de la carga eléctrica.
En tu caso, comienzas con un neutrón (carga 0) y terminas con un protón, por lo que necesitas el W − para asegurarse de que la carga total sigue siendo cero.

Por ejemplo, en un mi − mi + → m − m + proceso, podría hacer que el electrón y el positrón se aniquilen en un fotón o un Z 0 bosón, que luego se desintegra en el par de muones.

† : Habría tantos tecnicismos que agregar a esta pregunta. Desde la conexión entre isospín débil, hipercarga débil y carga eléctrica, hasta las dos razones por las que existen 3 campos débiles y solo uno EM.

Además, la imagen que he empleado (mea culpa) es la de partículas virtuales , es decir, las cargas emiten fotones que luego son absorbidos por otras partículas, mediando así la interacción.
Esto es técnicamente incorrecto, aunque comprenderlo requiere comprender la teoría de la perturbación y la QFT.

¡Gran respuesta! En cuanto a "Siempre hay una posibilidad finita de interacción entre los diversos campos" , agregaría por el bien de OP que, aquí, la palabra "finito" no se define como en matemáticas (es decir, "más pequeño que infinito") pero en el habitual forma en que los físicos lo emplean, a saber, como "distinto de cero".
Anotado. Lo corregí.
@SuperCiocia ¡Gracias por la gran respuesta! Sí, sé un poco sobre la incorrección de la imagen virtual de fotones. Entonces, en cambio, ¿está bien pensar que cuando dos electrones están más cerca hay una perturbación mayor (¿y una posibilidad de perturbación?) en el campo electromagnético entre ellos, y esa perturbación es reabsorbida por ambos, lo que hace que se repelan (al menos en el escenario más simple)?
La imagen correcta es que QED es una interacción de largo alcance, por lo que las partículas cargadas nunca son "libres", sino que siempre interactúan. Tendría que diagonalizar el QED hamiltoniano completo para encontrar los estados propios reales del sistema, lo que mostraría un cambio suave de mi mi a m m (por ejemplo), sin necesidad de introducir el fotón "a corta distancia". Esto no es factible, ya que no hay solución analítica. Entonces, en cambio, considera el campo EM como una perturbación que solo actúa en una pequeña región del espacio, de ahí los vértices en los diagramas de Feynman.
No es intuitivo ver cómo se produce el signo de la interacción, es decir, si es atractivo o repulsivo. Por lo general, debe realizar el cálculo completo, ya que el signo de las cargas solo afecta el signo general del elemento de la matriz, que no está directamente relacionado con el comportamiento espacial. Consulte también esta respuesta: physics.stackexchange.com/questions/189605/…
Además, para la mayoría de las cosas, ni siquiera tiene que cuantificar el campo EM. Simplemente puede trabajar con un campo de fermionc cuántico y asumir un campo clásico A m con un continuo de modos. Esto es suficiente, por ejemplo, para recuperar las ecuaciones de Maxwell del formalismo lagrangiano del Modelo Estándar. Debe cuantificar el campo EM si desea ver la emisión/absorción de fotones individuales, es decir, de modos individuales del campo.
Gracias de nuevo. Eso lo resume todo. El resto es para mí estudiar las matemáticas.
Me gustaría aclarar aún más la idea de 'interacción entre varios campos que son distintos de cero'. Una de las cosas realmente buenas de la teoría U(1) es que es abeliana, por lo que los bosones de norma no interactúan. Cuando introduce campos escalares/fermiones, entonces hay interacción. Para las teorías no abelianas (p. ej., SU(2)), los bosones de medida interactúan (W^{\pm}, Z) sin siquiera mencionar los otros campos.
Si tuviera que escribir una teoría U(1) para un campo de calibre de espín 1, verá que tiene que ser masivo si quiere que sea invariante de calibre. Este fue un problema con los bosones de calibre vectoriales masivos, resuelto por la ruptura espontánea de la simetría de SU(2)_L x U(1)_Y y el mecanismo de Higgs.
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