Interazione debole: differenze tra le versioni
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==== La costante di Fermi ====
La costante di accoppiamento G non è adimensionale (come ''e'' nel caso elettromagnetico), ma ha le dimensioni di [energia]<sup>-2</sup>. Ciò fa sì che la teoria debole non sia rinormalizzabile. La situazione si può risolvere postulando che le interazioni deboli siano dovute all'emissione e all'assorbimento di bosoni vettori, come avviene col fotone nell'elettromagnetismo.
In questo modo, l'interazione è proporzionale a:
:<math> \frac{g^2}{(M^2-q^2)}</math>
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Perciò, nel caso in cui
:<math>q^2 \ll M^2</math>
(come per il decadimento beta), si ha un'interazione puntuale, con costante di accoppiamento proporzionale alla ''G'' di Fermi:
:<math> \frac{G}{\sqrt2}=\frac{g^2}{8M^2}</math>
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Si è a lungo pensato che le [[legge fisica|leggi della natura]] rimanessero le stesse sotto l'azione di quella che oggi è chiamata simmetria P, la quale consiste nell'invertire tutti gli assi spaziali (detto più banalmente, consiste nell'invertire la destra con la sinistra e viceversa). Si credeva che questa fosse una legge universale e dagli esperimenti risultava che le [[gravità|leggi della gravità]] e dell'[[elettromagnetismo]] la rispettavano: infatti, se di un apparato sperimentale che produce un determinato risultato si costruisce una copia identica, ma speculare, quest'ultima dovrebbe fornire lo stesso risultato del primo apparato.
Nel [[1956]], [[Chen Ning Yang|Yang]] e [[Tsung-Dao Lee|Lee]] proposero che l'interazione debole potesse violare questa simmetria.
Lee e Yang avanzarono questa ipotesi per spiegare il cosiddetto ''puzzle θ-τ'': negli anni Cinquanta, erano state identificate due particelle (θ e τ, appunto) con identica massa, ma con due modi di decadimento semi-leptonici in stati finali di opposta parità. Il dubbio era se le due particelle fossero veramente distinte oppure la medesima. Lee e Yang sostennero (correttamente) la seconda ipotesi, per la quale si aveva una sola particella che decadeva violando la parità, poi identificata con il [[kaone]] carico.<br />
La conferma a questa ipotesi giunse nel [[1957]], da esperimenti condotti da Madame [[Chien Shiung Wu|Wu]] e collaboratori, facendo vincere, quello stesso anno, a Yang e Lee il [[premio Nobel per la fisica]].
Dagli esperimenti della Wu, emerge come solo neutrini sinistrorsi e antineutrini destrorsi siano coinvolti nell'interazione debole. L'assenza di antineutrini sinistrorsi e neutrini destrorsi è una chiara violazione della parità. Ma anche la coniugazione di carica risulta violata, poiché essa dovrebbe trasformare un neutrino sinistrorso in un antineutrino sinistrorso, il quale però non è soggetto all'interazione debole.
Nel [[1957]], [[Robert Marshak|Marshak]] e [[George Sundarshan|Sundarshan]] e, poco dopo, [[Richard Feynman|Feynman]] e [[Murray Gell-Mann|Gell-Mann]] proposero la [[lagrangiana]] <math>V - A</math> per includere la violazione di parità: in questa teoria, l'interazione debole agisce solo sulle [[particella (fisica)|particelle]] sinistrorse e sulle corrispondenti antiparticelle destrorse, grazie all'applicazione di un'operazione di sottrazione tra un [[Vettore (fisica)|vettore]] e un vettore assiale o sinistrorso.
Per fermioni privi di massa, le interazioni <math>V - A</math> conservano l'elicità, perciò, nei processi che producono coppie di leptoni, essi emergono con elicità opposte. Invece, fermioni massivi non sono prodotti in stati puri di elicità, ma comunque gli esperimenti mostrano come elicità opposte siano favorite, uno su tutti il decadimento del pione carico, per il quale il canale
π<sup>-</sup> in e<sup>-</sup> + ν(e) è soppresso rispetto a π<sup>-</sup> in μ<sup>-</sup> + ν(μ).
==== L'universalità debole ====
Studiando i decadimenti dei leptoni carichi, si è concluso che la costante di accoppiamento al bosone W è la medesima per tutti i sapori leptonici; successivi esperimenti hanno permesso di estendere l'universalità anche all'accoppiamento col bosone Z.
==== La teoria di Cabibbo e la violazione di CP ====
Tuttavia, la costante di accoppiamento risulta lievemente diversa se calcolata a partire dal decadimento beta o da altri decadimenti che coinvolgono adroni.<br />
Un altro fatto inspiegato dell'interazione debole era la soppressione di decadimenti con variazione di [[quark strange|stranezza]], rispetto a quelli a stranezza costante.
La soluzione a entrambe le problematiche viene dalla teoria di [[Nicola Cabibbo|Cabibbo]].
Secondo questa teoria, i quark ''d'', ''s'' che partecipano all'interazione debole non sono da considerarsi puri stati di sapore, ma sono invece ruotati di un angolo di mixing, detto angolo di Cabibbo <math>\theta_c</math>. Quindi, i quark (all'epoca noti) che partecipano all'interazione debole sono raggruppati nel doppietto:<br />
<math>u</math>, <math>d \cos\theta_c+s \sin\theta_c</math>
Dunque, la costante di accoppiamento è la stessa per quark e leptoni, solo che per alcuni decadimenti (quelli senza variazione di stranezza) l'accoppiamento effettivo sarà <math>Gcos\theta_c</math>, mentre, per le transizioni con variazione di stranezza l'accoppiamento sarà <math>Gsin\theta_c</math>.
Il modello di Cabibbo prevede anche l'esistenza di processi di corrente neutra con cambiamento di sapore, tuttavia mai osservati. Per spiegare la soppressione di questo tipo di transizioni, [[Sheldon Lee Glashow|Glashow]], [[John Iliopoulos|Iliopoulos]] e [[Luciano Maiani|Maiani]] propongono nel [[1970]] il cosiddetto ''[[meccanismo GIM]]'', che comporta una modifica dei doppietti dovuta all'introduzione teorica di un nuovo quark, il [[quark charm|c]], che sarà individuato sperimentalmente solo 4 anni dopo.
L'estensione della teoria di Cabibbo a tre famiglie di quark si deve a [[Makoto Kobayashi|Kobayashi]] e [[Toshihide Maskawa|Maskawa]]. Nel [[1973|1973,]] introducono la cosiddetta [[matrice CKM]], i cui elementi descrivono come gli stati di quark liberi si "mescolino" (mixing) negli stati di sapore.
Per tre famiglie di quark, la matrice CKM è composta da 9 elementi, rappresentabili con quattro parametri: 3 angoli reali e una fase complessa, la quale introduce la possibilità di una violazione della [[simmetria CPT|simmetria temporale]] da parte dell'interazione debole. Per il teorema di conservazione CPT, ciò implica che la teoria debole per tre (o più) famiglie di quark ammette la violazione del prodotto CP.<br />
Questo permette di includere nella teoria le osservazioni effettuate nel [[1964]] da [[James Cronin|Cronin]] e [[Val Fitch|Fitch]] sul decadimento dei kaoni neutri, ciascuno dei quali può decadere in stati finali con CP-parità opposta. Gli effetti di questa violazione sono minori rispetto a quelli della sola simmetria P e valsero ai due fisici il premio Nobel nel [[1980]].
La scoperta del [[quark bottom|quark b]] nel [[1977]] conferma l'esistenza della terza famiglia di quark, che sarà completata solo nel [[1995]], con l'identificazione del [[quark top|quark t]].
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Il [[Modello Standard]] descrive la [[forza elettromagnetica]] e l'interazione debole come due aspetti di una medesima forza, l'[[interazione elettrodebole]], la cui descrizione teorica è stata formulata intorno al [[1968]] da [[Sheldon Glashow|Glashow]], [[Abdus Salam|Salam]] e [[Steven Weinberg|Weinberg]], i quali ricevettero per tale lavoro il [[premio Nobel per la fisica]] nel [[1979]].
Secondo la teoria elettrodebole, ad [[big bang|energie molto alte]], verificatesi per pochi istanti dopo il [[Big bang]], l'[[universo]] possiede quattro [[Campo vettoriale|campi vettoriali]] relativi a un'unica [[forza elettrodebole]], espressi da quattro [[bosoni di gauge]] privi di [[Massa (fisica)|massa]], e un [[Campo (fisica)|campo]] [[Grandezza scalare|scalare]] detto [[campo di Higgs]]. Al di sotto di un certo livello di energia, il [[meccanismo di Higgs]] determina per il campo di Higgs una [[Rottura spontanea di simmetria|rottura spontanea della simmetria]], che produce tre [[bosone di Goldstone|bosoni di Goldstone]], i quali vengono assimilati da tre dei quattro campi elettrodeboli, fornendo loro la massa. I tre campi massivi diventano i [[bosoni W e Z]] dell'interazione debole, mentre il quarto conserva le caratteristiche iniziali ancora presenti nell'universo attuale, ed è il campo privo di massa del [[fotone]] responsabile dell'[[elettromagnetismo]].
La teoria funziona molto bene e ha permesso la formulazione di predizioni che si sono poi dimostrate vere: una di queste è la stima della massa del [[Bosoni W e Z|bosone Z]]. La predizione più attesa e ormai verificata è quella relativa all'esistenza del [[bosone di Higgs]], che rappresentava uno degli scopi per cui il [[Large Hadron Collider]] del [[CERN]] è stato costruito.
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