Fuerzas Fundamentales

La Fuerza Fuerte

Una fuerza que puede mantener unido un n�cleo en contra de las enormes fuerzas de repulsi�n de los protones, es realmente fuerte. Sin embargo, no es una fuerza de la inversa del cuadrado como la fuerza electromagn�tica, y tiene un alcance muy corto. Yukawa model� la fuerza fuerte como una fuerza de intercambio, en el que las part�culas de intercambio son piones, y otras part�culas mas pesadas. El rango de una fuerza de intercambio de part�cula, est� limitado por el principio de incertidumbre. La interacci�n fuerte es la m�s intensa de las cuatro fuerzas fundamentales.

Dado que los protones y los neutrones que componen el n�cleo, se consideran que est�n 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 est�ndar, por lo tanto, la part�cula b�sica de intercambio es el glu�n, que media las fuerzas entre los quarks. Dado que los gluones y los quarks individuales est�n contenidos dentro del prot�n o del neutr�n, las masas que se les atribuyen, no se puede usar en las f�rmulas de rango para predecir el rango de la fuerza. Cuando se ve algo que emerge de un prot�n o un neutr�n, entonces debe ser por lo menos un par quark-antiquark, por lo que es entonces plausible que el pi�n como el meson m�s ligero, deber�a servir como un predictor del rango m�ximo de la fuerza fuerte entre los nucleones.

Este boceto, es un intento de mostrar una de las muchas formas que podr�a tomar la interacci�n del glu�n entre los nucleones. Este involucra la producci�n y aniquilaci�n de un par up-antiup, produciendo un cerramiento π^- de los nucleones.

La Fuerza Electromagn�tica

Una de las cuatro fuerzas fundamentales, la fuerza electromagn�tica, se manifiesta a trav�s de las fuerzas entre las cargas (Ley de Coulomb), y la fuerza magn�tica, las cuales, se resumen en la ley de la fuerza de Lorentz. Fundamentalmente, las dos fuerzas magn�tica y el�ctrica, son manifestaciones de una fuerza de intercambio que implica el intercambio de fotones. El enfoque cu�ntico de la fuerza electromagn�tica, se denomina electrodin�mica cu�ntica o QED. La fuerza electromagn�tica 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 electromagn�tica mantiene unidos a los �tomos y las mol�culas. De hecho, las fuerzas de atracci�n y repulsi�n el�ctrica de las cargas el�ctricas son tan dominantes sobre las otras tres fuerzas fundamentales, que estas pueden ser consideradas como insignificantes en la determinaci�n de la estructura at�mica y molecular. Incluso los efectos magn�ticos suelen ser evidentes s�lo a altas resoluciones, y act�an como peque�as correcciones.

La Fuerza D�bil

Una de las cuatro fuerzas fundamentales, la interacci�n d�bil, implica el intercambio de los bosones vectoriales intermedios, el W y el Z. Puesto que la masa de estas part�culas 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 di�metro de un prot�n.

La interacci�n d�bil cambia el sabor de un quark en otro. Es crucial para la estructura del universo en que

1. El sol no quemar�a sin ella, ya que la interacci�n d�bil causa la transmutaci�n p -> n, para que pueda formarse deuterio y pueda tener lugar la fusi�n del deuterio.

2. Es necesario para la acumulaci�n de n�cleos pesados.

El papel de la fuerza d�bil en la transmutaci�n de quarks: la interacci�n est� implicada en muchos decaimientos de part�culas nucleares, que requieren el cambio de sabor de un quark en otro. Fue en la desintegraci�n radiactiva tal como el decaimiento beta, donde primero se revel� la existencia de la interacci�n d�bil. La interacci�n d�bil es el �nico proceso en el que un quark puede cambiarse en otro quark, o un lept�n en otro lept�n -los as� llamados "cambios de sabores"-.

El descubrimiento de las part�culas W y Z en 1983, fue aclamado como una confirmaci�n de las teor�as que conectan la fuerza d�bil con la fuerza electromagn�tica, en la unificaci�n electrod�bil.

La interacci�n d�bil act�a entre ambos, los quarks y los leptones, mientras que la fuerza fuerte no act�a 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 electromagn�ticas, pero todos ellos participan en las interacciones d�biles."(Griffiths)

Diagramas de Feynman en la Fuerza D�bil

Un neutr�n libre, decaer� emitiendo un bos�n W-, el cual produce un electr�n y un antineutrino.

Cuando un neutrino interact�a con un neutr�n, puede ser intercambiado un W-, transformando el neutr�n en un prot�n, y produciendo un electr�n.

Esta interacci�n 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 neutr�n o un prot�n puede interactuar con un neutrino o un antineutrino, mediante el intercambio de un Z0.

Una de las cuatro fuerzas fundamentales, la interacci�n d�bil, implica el intercambio del bos�n vectorial intermedio, W y el Z. Como la masa de estas part�culas 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 di�mtetro del prot�n. La interacci�n d�bil cambia el sabor de un quark en otro. Por ejemplo, en el decaimiento del neutr�n dibujado en el diagrama de Feynman de arriba a la izquierda, un quark down se cambia en un quark up, transformando el neutr�n en un prot�n.

Los v�rtices primitivos en los diagramas de Feynman para la interacci�n d�bil, son de dos tipos: cargado y neutral. Para los leptones toman la siguiente forma

El electr�n es usado como un ejemplo en estos diagramas, pero cualquier lept�n puede ser sustituido en el lado de la entrada. El lado de salida (arriba) ser� el mismo para el v�rtice neutro, pero determinado por la carga del W en el v�rtice cargado. Adem�s de conservar la carga, el v�rtice debe conservar el n�mero de leptones, por lo que el proceso con el electr�n puede producir un neutrino electr�nico pero no un neutrino mu�n.

La interacci�n neutral es m�s f�cil de concebir, pero rara vez se observa, ya que compite con la interacci�n electromagn�tica mucho m�s fuerte, y queda enmascarada por ella.

Con los v�rtices cargados, se puede postular una interacci�n como μ, υe -> e, υμ y dibujar un diagrama de Feynman para ello. Esta interacci�n no es probable que se observe debido a la incre�ble dificultad de observar la dispersi�n de neutrinos, pero sugiere otras interacciones que pueden ser obtenidas por rotaci�n o torsi�n del diagrama.

Con una torsi�n del diagrama de Feynman de arriba, se puede llegar a la interacci�n responsable del decaimiento del mu�n, por lo que las estructuras obtenidas a partir de los v�rtices primitivos se puede usar para construir una familia de interacciones. La transformaci�n entre los dos diagramas de Feynman tambi�n puede ser vista como un ejemplo de simetr�a de cruce. Diagramas de Feynman Torcidos y Simetr�a de Cruce

Los v�rtices cargados en la interacci�n d�bil con quarks, toma la forma

As� se ve que el quark cambia su sabor cuando interact�an a trav�s del W^- o W⁺. Como est� dibujada, esta interacci�n 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 interacci�n alternativa, mostrada abajo para ambos productos, electr�n y mu�n.

Esto manifiesta el mecanismo de la interacci�n d�bil en el decaimiento del pi�n, el cual se observa que sucede, por el camino del mu�n.

La interacci�n d�bil en la formaci�n del electr�n de arriba a la izquierda, es responsable del decaimiento del neutr�n y del decaimiento beta en general.