Qué pasaría si tomamos un neutrón y lo dejamos en el vacío? Permanecerá como neutrón para siempre o se transformará en otra partícula? Esta pregunta fue respondida por experimentos, los que muestran que si esperamos algo más de 14 minutos veremos nuestro neutrón desaparecer y un protón queda en su lugar. No sólo esto, otras dos partículas aparecen en este proceso: un electrón y un antineutrino. Este proceso se denomina decaimiento beta y no fue comprendido por mucho tiempo. La imagen recién descrita fue introducida por Enrico Fermi en 1934, en la que el neutrón decae en otras tres diferentes partículas. Uno de los detalles más importantes de esta observación es que este proceso debe deberse
decaimiento beta según Fermi (1934)
a alguna interacción que no es el electromagnetismo (obviamente tampoco es debido a la gravedad). Los físicos llamaron interacción débil a la responsable de procesos en los cuales ciertas partículas “cambian de identidad” y debido a ello decaen en otras partículas. La descripción de Fermi fue un tremendo avance que llevó a comprender fenómenos como la radioactividad. El único problema con la idea de Fermi es que al decaer en tres partículas, la teoría predice algunos efectos que no se observan. Además en el espíritu de las interacciones fundamentales, de la misma manera que el electromagnetismo es mediado por el fotón, la interacción débil debería ser mediada por alguna partícula.
Teoría Electrodébil
Recién en 1967 Sheldon Glashow, Abdus Salam y Steven Weinberg construyeron una teoría cuántica que describía la interacción débil, de la misma manera que QED describía el electromagnetismo. Sin embargo, ellos encontraron algo más: mostraron que la interacción débil y la electromagnética podrían combinarse en una única teoría, de esta manera las interacciones electromagnéticas y débiles entre partículas estarían ahora descritas por la llamadainteracción electrodébil. La unificación electrodébil de Glashow, Salam y Weinberg es uno de los grandes hitos en la descripción fundamental de la naturaleza, de la misma forma que a fines del siglo XIX James C. Maxwell fue capaz de unificar la electricidad con el magnetismo en su teoría electromagnética. Volviendo a las partículas fundamentales, cuál es la partícula mediadora de la interacción débil? En la descripción de Glashow, Salam y Weinberg, no es una sino tres las nuevas partículas que es necesario introducir (además del fotón). En esta teoría las interacciones débiles son mediadas por tres “primos” del fotón, también con espín 1 (es decir son bosones): uno de los bosones es similar a un fotón con masa llamado Z0 y los otros dos son similares al fotón con masa y carga eléctrica (positiva y negativa) llamados W+ y W-. De la misma manera que dos electrones intercambian un fotón para transmitir la interacción electromagnética, dos partículas pueden intercambar Z0, W+ o W- para transmitir la interacción débil.
Corrientes cargadas y neutras: el Premio Nobel más rápido de la historia
descripción moderna del decaimiento beta
Cuando la partícula intercambiada es W+ o W- se habla decorrientes cargadas, ya que la carga eléctrica de la partícula inicial “se transmite” al bosón cargado que luego decae en otra partícula cargada. Esto produce que una partícula cambie de sabor, por ejemplo, un muón puede convertirse en su primo más liviano el electrón. El decaimiento beta ahora se comprende no como el decaimiento del neutrón en tres partículas sino que en neutrón decae en un protón y un W-, el cual luego decae en un electrón y un antineutrino. Notar que en cada sección del proceso la carga eléctrica es conservada.
Cuando la partícula que se intercambia es un Z0 no hay cambio de sabor ni carga por lo que se habla de unacorriente neutra. Estas últimas no habían sido observadas y corresponden a una predicción del modelo electrodébil. En 1973 las corrientes neutras fueron por primera vez observadas en la cámara de burbujas Gargamelle en CERN. El éxito de la teoría electrodébil de Glashow, Salam y Weinberg les valió el Premio Nobel en 1979. También en CERN,Carlo Rubbia y Simon van der Meer dirigieron dos diferentes experimentos en los cuales los bosones Z0, W+ y W-fueron por primera vez observados en 1983. Por este descubrimiento, Rubbia y van der Meer compartieron el Premio Nobel en 1984, sólo un año después, lo que llama mucho la atención ya que típicamente el premio es concedido varios años más tarde del respectivo descubrimiento.
El presente: LHC
En estos días las noticias han hecho eco de la observación de los bosones Z0, W+ y W- en el LHC. Justamente esta semana se anunció que el pasado 6 de abril, sólo una semana después de las primeras colisiones del LHC a 7 TeV, se observaron los primeros W en ATLAS.
Tabla: propiedades de los bosones W y Z
