Elkarrekintza nuklear ahul

Naturan dauden oinarrizko interakzioetako bat. Besteak beste, β desintegrazioren erantzulea da. Interakzioaren truke-partikula edo eramaileak hiru bosoi dira (W^−, W^+ eta Z^0).
Elkarreragin nuklear ahul» orritik birbideratua)

Elkarrekintza ahula, elkarrekintza nuklear ahula, indar ahula edo indar nuklear ahula ere baderitzona, partikula subatomikoen arteko elkarrekintza-mekanismoa da. Gaur egun elkarrekintza ahula teminoa hobesten da, inguruko hizkuntzetan egiten den antzera —"weak interaction" ingelesez, "interacción débil" gaztelaniaz, eta "inteaction faible" frantsesez—, zeren, efektu erakarle edo aldarazleak sortzeaz gain, elkarrekintza ahulak partikulen izaera-aldaketa ere sor baitezake. Bestalde, "ahul" deritzo, beraren indarra elkarrekintza nuklear bortitzean agertzen den indarra baino aldiz txikiagoa delako. Elkarrekintza ahula irismen oso laburrekoa da: ; nolanahi ere, distantzia txiki horietan elkarrekintza grabitatorioa baino askoz intentsoagoa da. Indar nuklear ahulak garrantzi handia du fisio nuklearrean, zeren nukleoaren eremu oso txikietan eragiten baitu, distantzia subatomikoetan hain zuzen ere. Naturan ageri diren lau oinarrizko elkarrekintzetako bat da, elektromagnetismo, indar nuklear bortitz eta grabitazioarekin batera.

Elkarrekintza ahularen efekturik ezagunenak beta desintegrazioa eta erradioaktibitatea dira. Halaber, izarretan gertatzen den fusio nuklearraren jatorrian ere badago. Elkarrekintza ahulak eragina du fermioi ezagun guztietan, hala nola elektroi, quark eta neutrinoetan.

Partikulen Fisikako Eredu Estandarrean, elkarrekintza ahula eta bosoien partekatzearen ondorioa dela esaten da. Hauek energia oso altuetan gauzatzen direnez, Heisenberg-en ziurgabetasun-printzipioari jarraituz, hots,

erreakzioak oso bizitza laburrekoak izaten dira.

Elkarrekintza ahularen historia laburraAldatu

 
Henry Becquerel

Elkarrekintza ahularekin erlazionaturiko fenomenoak ezezagunak ziren XIX. mendearen bukaera arte, Henry Becquerel-ek (1852-1908) 1896an aurkitu baitzuen erradioaktibitatea izeneko fenomeno berria. Hortik aurrera arlo horretako garapena gertatu zen eta hainbat ikerkuntza egin ziren fenomeno berri hori ulertzeko, fisika nuklearra garatzeko eta fenomeno berriak azalduko zituen teoria egokia osatzeko. Atal honetan, elkarrekintza ahularen teoria osatzeko bidean emaniko pauso batzuk aipatuko dira.

 
Enrico Fermi

Beta erradioaktibitatea azaltzeko lehenengo teoriaAldatu

Esan bezala erradioaktibitatea 1896an aurkitu zen, eta handik gutxira, 1898an, Rutherford (1871-1937) konturatu zen uraniodun mineral batean bi erradiazio desberdin emititzen zirela, alfa (α) eta beta (β) motako erradioaktibitateak deituko zirenak. Geroago, XX. mendearen lehen laurdenean hainbat aurrerapen egin ziren prozesu erradioaktiboetan gertatzen ziren energia-galerak ezagutzeko. Horietan oinarriturik, 1930ean, Wolfgang Pauli-k (1900-1958) iradoki zuen partikula neutro oso arina baina ordura arte behatu gabea emititu behar zela, geroago neutrinoa deituko zena. Datu horiek kontuan izanik, 1933an Enrico Fermi (1901-1954) fisikari italiarrak β erradioaktibitatearen teoria proposatu zuen. Teoria horrek lau fermioirekin (neutroia, protoia, elektroia eta neutrinoa) gertaturiko elkarrekintzak aurreikusten zituen, nolabait elkarrekintza ahularen lehen bertsioa osatuz.[1]

 
Chien Shiung Wu

Simetria-hausketaAldatu

Ispilu arrunt baten begiratzen badugu, izadiaren legeek berdinak izaten jarraitzen dute. Hau da, edozein esperimentutan espazio euklidear guztiak inbertituz gero, neurketak mantendu egiten dira normalean. Fenomeno horri paritatearen kontserbazio-legea deritzo. Lege hori grabitazio klasikoaren eta elektromagnetismoaren teorietan errespetatu egiten da; beraz, lege unibertsala zela uste izan zen denbora luzez.

 
Chien-Shiung Wu 1963an Colombiako unibertsitatean.

Hala ere, 1950eko hamarkadan zehar, Chen Ning Yang-ek eta Tsung-Dao Lee-k, kalkulu matematikoan oinarrituz, elkarrekintza nuklear ahulean lege hori apur zitekeela esan zuten. Geroago, 1957an hain zuzen, Chien Shiung Wu-k eta haren lankideek Lee-k eta Yang-ek aurresandakoa esperimentalki frogatzeko gai izan ziren. Horri esker, aipatutako ikerlartzile-taldeak 1957ko Fisikako Nobel Saria irabazi zuen. [2]

Elkarrekintza ahula lau fermioiren arteko kontaktu-elkarrekintza moduan azaltzen bada ere (Fermiren teoria), paritatearen apurketaren frogapenak ikuspuntu berri bat eskatzen zuen. Horri erantzuna ematekotan, 1957. urtean Robert Mershak-ek, George Sudarshan-ek eta, geroago, Richard Feynman-ek eta Murray Gell-Mann-ek V-A (Bektore bat ken bektore axial edo lebogiro bat) lagrangearra proposatu zuten elkarrekintza ahulak azaltzeko. Proposamen horren arabera, elkarrekintza ahulak soilik partikula lebogiroetan eta antipartikula destrogiroetan dauka eragina. Partikula lebogiro baten ispilu-irudia partikula destrogiro bat denez (eta alderantziz), Fermiren teoria horrek paritatearen apurketa azaltzen du.

Hala ere, teoria horrek CP simetriaren kontserbazioa ahalbidetzen du. CP simetria bi simetria motaren konbinazioa da: P simetria (ispilu-inbertsioa) eta C simetria (partikula-antipartikula trukatzea). Baina ezusteko berri bat izan zuten fisikariek 1964. urtean. James Cronin-ek eta Val Fitch-ek kaoi baten desintegrazioa burutu zutenean, argi ikusi zen CP simetria apurtu egin zitekeela. Horri esker Nobel Saria irabazi zuten 1980an.

Elkarrekintza ahula azaltzeko teoria bateratuaAldatu

Simetria-hausturaren aurkikuntzak areagotu egin zuen arlo horretako ikerkuntza teorikoa eta Richard Feynman (1918-1988) eta Murray Gell-Mann-en (1929-2019) bultzadarekin bi hamarkadatan zehar proposamenak egin ziren Fermiren teoria aldatzeko.  Azkenean, urte horietan eginiko lanaren emaitza modura, 1968an Sheldon Lee Glashow (1932), Abdus Salam (1926-1996) eta Steven Weinberg (1933) lankideek indar elektromagnetikoaren eta elkarrekintza ahularen teoriak bateratu zituzten.

Frogatu zutenez, bi indarrok indar bakar baten bi aldaera dira, orain indar elektroahula deritzona eta horri esker 1979an, hirurok batera Fisikako Nobel saria jaso zuten elkarreragin ahularen eta interakzio elektromagnetikoaren arteko bateratze teorikoari egindako ekarpenengatik. Hala, elkarrekintza elektroahularen eredu estandarra sortu zuten. Haren existentzia bi etapatan frogatu zen esperimentalki. Lehenik eta behin, 1973an korronte neutroak aurkitu ziren. Gero, 1 W eta Z bosoien frogatu zen teorikoki, baina horien existentzia ez zen 1983. urtera arte berretsi eseprimentu bidez.[3] Hain zuzen ere,1984an Carlo Rubbia-k (1934) eta Simon van der Meer-ek (1925-2011)Fisikako Nobel Saria jaso zuten esperientzia horiekin egindako ekarpenagatik.

Oinarrizko partikulen eredu estandarreko funtsezko kontzeptuakAldatu

Hemeretzigarren eta hogeigarren mendeetan hainbeste aurkikuntza egin ziren materiaren izaerarekin eta elkarrekintzekin zerikusia duten partikulekin. Eta aurrerapausoak banan-banan emanez, atomoaren barneko izaera ikertzean ordura arte ezezagunak ziren gero eta partikula gehiago aurkitu ziren.

Atomoa, partikula azpiatomikoak eta fisika nuklearraAldatu

John Daltonek proposatu zuen 1803. urtean oinarri zientifikoak izan zituen nolabaiteko eredu atomiko , baina Joseph John Thomson-ek egindako zuen elektroiaren aurkikuntzari esker proposatu zuen bere izena daraman lehenengo eredu atomikoa 1897an. Geroago, Rutherfordek osatu zuen eredu hura, nukleoaren barnean protoiak (1918) eta neutroiak (1920) zeudela azalduz. Horrela, lehenengo aldiz aipatu ziren partikula azpiatomikoak.

 
Oinarrizko partikulen eredu estandarra.

Eredu estandarreko oinarrizko partikulakAldatu

Hogeigarren mendearen bigarren erdialdean egindako hainbat lan teoriko eta esperimentalen ondorioz, hasierako hiru partikula azpiatomikoen oinarrian beste hainbat partikula eta elkarrekintza agertu ziren. Horiek guztiak eskematikoki adierazita daude alboko taula eskematikoan. Bertan partikula bakoitzari dagokion masa ( unitatetan), karga (elektroiaren karga unitatetzat hartuta), spina eta izena adierazita, eta mota bakoitzekoak kolorez bereizita.

FermioiakAldatu

Fermioiak materia-partikulak direla esan dezakegu, horien bidez osaturik baitaude elkarrakzioak jasaten ditu partikula materiadunak; materiaren osagaiak direla esan dezakegu.

QuarkakAldatu
 
Murray Gell-Mann.

Quarkak materiaren funtsezko osagaiak dira, leptoiekin batera. Are gehiago, quarkak dira lau funtsezko elkarrekintzak eragina jasaten duten partikula bakarrak. Masari eta tamainari dagokionez gluoien antzekoak dira. Quark guztien spina ½ baliokoa da; hargatik dira fermioiak.[4]

Quarken ereduaren bitartez, azpiegitura duten barioiak eta mesoiak (edo, beste hitzetan esanda, hadroien multzo osoa) era sinplean deskribatzen dira, quarkak eta horien arteko elkarrekintzak erabiliz. Murray Gell-Mann-ek eta George Zweigek, nork bere aldetik, proposatu zuten quarken eredua 1964. urtean.

LeptoiakAldatu

Leptoiak fermioien familiako oinarrizko partikulen familia baten parte dira. Quark-ak bezala, fermioiak dira, baina, quarkak ez bezala, ez dute elkarrekintza bortitzik jasaten.

 
Satyendra Nath Bose

Leptoiek ez dute karga hadronikorik edo kolorezkorik. Sei motatako leptoi existitzen dira, eta bakoitzak bere antipartikula du: elektroia, muoia, taua eta horietako bakoitzari lotutako hiru neutrino. Elektroiak, muoiak, eta tauak karga elektrikoa dute eta   balioko spina dute; neutrinoek ez dute kargarik eta   balioko spina dute.

BosoiakAldatu

Eredu estandarraren arabera, oinarrizko lau gauge-bosoi daude: fotoiak, gluoiak eta   eta   bosoi izenekoak. Horia gain,berriki aurkitutako Higgs bosoia eta grabitoia (oraindik hipotesi modura proposatua) ere hartu behar dira kontuan. Bosoi izena Satyendra Nath Bose (1894-1974) fisikari bengalarraren omenez jarri zitzaien. Bosoi horiek dira oinarrizko lau elkarrekintzetan parte hartzen dutenak: fotoiek elkarrekintza elektromagnetikoan, gluoiek elkarrekintza nuklear bortitzean, Z eta W bosoiek ekarrekintza ahulean; oraindik detektatu gabeko grabitoiak elkarrekintza grabitatorioan.

 
François Englert eta Peter Higgs

Aipamen berezia merezi du Higgs bosoiak. Peter Higgs-en omenez jarri zitzaion izena; izan ere, beste batzuekin batera 1964an berak proposatu zuen gaur egun Higgs-en mekanismoa deritzona, oinarrizko partikulen masaren jatorria azaltzeko. Askoz geroago, 2012ko uztailaren 4an, Ikerketa Nuklearrerako Europako Kontseilua (CERN) izeneko erakundeak partikula berri baten behaketa lortua zela iragarri zuen, «Higgs-en bosoiarekin bat zetorrena».[5] Baina oraindik denbora eta datu gehiago behar ziren hori baieztatzeko. Azkenik 2013ko martxoaren 14an, aurreko urteko uztaileko aurkikuntzan erabilitako datuak baino bi aldiz gehiago izanik, CERNek egiaztatu egin zuen partikula berria Higgs bosoiaren antz handia zuela. Eta 2013ko urriaren 8an, Fisikako Nobel Saria eman zioten Peter Higgs-i, François Englert-ekin batera, «partikula subatomikoen masaren jatorria ulertzen laguntzen digun mekanismo baten aurkikuntza teorikoagatik, eta duela gutxi Hadroien Talka-eragingailu handian ATLAS eta CMS esperimentuek iragarritako oinarrizko partikularen detekzioari esker».[6]

Elkarrekintza ahularen azalpena eredu estandarreanAldatu

Partikulen fisikaren eredu estandarrean,  ,   eta   bosoien trukeak eragiten du elkarrekintza ahula. Eraginik ezagunena β erradioaktibitatea da. Partikula gehienak elkarrekintza ahulak eragindako desintegrazioaren mende daude.   eta   bosoiek oso masa handia dute, eta horregatik dute oso irismen laburra. Bestalde, elkarrekintza ahularen intentsitatea elkarrekintza elektromagnetikoarena eta elkarrekintza nuklear bortitzarena baino askoz txikiagoa izan da zenbait magnitude-ordenatan. Hortik datorkio "ahul" adjektiboa.

Elkarrekintza ahularen propietateakAldatu

Quarkei eta Ezkerreko kiralitatea duten leptoiei eragiten die elkarrekintza ahulak. Grabitateaz aparte, neutrinoen gainean eragiten duen indar bakarra da. Horrez gain, badaude elkarrekintza nuklear ahulak soilik erakusten dituen propietate berezi batzuk:

  1. Quarken zaporea alda dezakeen elkarrekintza bakarra da.
  2. Paritate-simetria apurtzen duen elkarrekintza bakarra da, 1957. urtean C.-S. Wu-k kobaltoaren esperimentuan frogatu zuen moduan.[7]
  3. Masa handiko partikula indar-eramaleen (gauge bosoiak) bidez hedatzen da elkarrekintza ahula, eta hori nahiko ezaugarri ezohikoa da. Hori azaldu ahal izateko Eredu Estandarean aurki dezakegun Higgsen Mekanismora jo behar dugu.

Elkarrekintza ahula garraiatzen duten partikulen masa hain handia denez   -tik gertu , haien batez besteko bizitza   ingurukoa da gehienez, ziurgabetasun-printzipioaren ondorioz. Bizitza-erdi labur horrek elkarrekintza ahularen irismena  -ra mugatzen du, hau da, atomoaren nukleoaren diametroa baino mila aldiz distantzia txikiagora.

Hiru motatako elkarrekintza ahulakAldatu

Oinarrizko hiru motatako elkarrekintza ahul ditugu. Horietako bitan bosoi kargatuek hartzen dute parte, eta "korronte kargatuko elkarrekintzak" direlesaten da. Hirugarren motari "korronte neutroko elkarrekintza" deritzo.

  • Leptoi kargatu batek (adibidez elektroi bat edo muoi bat)   bosoi bat hartu edo eman dezake, eta, horrela, bosoi hori dagokion neutrino bihurtu. Esate baterako,

 
  • Behe-quark batek (  balioko karga duena)   bosoi bat hartu edo eman dezake, eta horrela bosoia goi-quark bihurtu. Alderantziz ere gerta daiteke, eta goi-quark batek behe-quark bat ematen du orduan.
     
    Bestelako aldaketak ere gerta daitezke quarketan:
     
     
     
  • Leptoi batek edo (quark batek)   bosoi bat hartu edo eman dezake:

 
 
  desintegrazioaren eskema.
 
Feynman-en diagrama honetan neutroi baten desintegrazioa adierazten da:   bosoia igortzean, protoia, elektroia ( ) eta neutrinoa sortzen dira.

Beta desintegrazioa, elkarrekintza ahularen ondorioAldatu

Beta desintegrazioa, adibidez, aldi berean gertatutako bi korronte kargatuen arteko elkarrekintzen ondorio zuzena da. Korronte neutroko elkarrekintza 1974an ikusi zen lehen aldiz neutrinoen sakabanatzea gauzatzen zuen esperimentu batean.

  desintegrazioan, elkarrekintza ahularen ondorioz, neutroi batetik ( ) hiru partikula sortzen dira: protoi bat,  , elektroi bat,  , eta antineutrino bat,  :

 

Alboko irudian ageri den Feynman-en diagraman erakusten den bezala, prozesu horretan down quark bat up quark bihurtzen da   bosoi bat igortzean, eta horrela neutroia protoi bihurtzen da;, segidan   bosoia desintegratu egiten da, elektroi bat (  erradiazioa) eta antineutrino elektroniko bat sortuz.

ErreferentziakAldatu

  1. (Alemanez) Fermi, E.. (1934-03-01). «Versuch einer Theorie der β-Strahlen. I» Zeitschrift für Physik (3-4): 161–177 doi:10.1007/BF01351864 ISSN 0044-3328 . Noiz kontsultatua: 2018-03-13.
  2. (Ingelesez) Wu-ren esperimentua. . Noiz kontsultatua: 15/03/2018.
  3. Cottingham & Greenwood (1986, 2001), p.8. .
  4. Zientzia eta Teknologiaren Hiztegi Entziklopedikoa, https://zthiztegia.elhuyar.eus/terminoa/es/quark..
  5. https://zientzia.eus/artikuluak/higgs-bosoia-zalantzarik-gabe/,+Higgs bosoiaren aurkikuntza..
  6. Zientzia eta Teknologiaren Hiztegi Entziklopedikoa, https://zthiztegia.elhuyar.eus/terminoa/eu/Hadroien%20Talka-eragingailu%20Handia..
  7. (Gaztelaniaz) Paridad. . Noiz kontsultatua: 13/03/2018.

BibliografiaAldatu

  • Paul Davies (1986) The Forces of Nature, 2nd ed. Cambridge Univ. Press. ISBN-13: 978-0521313926
  • Richard Feynman (1967) The Character of Physical Law. MIT Press. ISBN 0-262-56003-8
  • Schumm, Bruce A. (2004) Deep Down Things. Johns Hopkins University Press. ISBN13 9780801879715
  • Steven Weinberg (1993) The First Three Minutes: A Modern View of the Origin of the Universe. Basic Books. ISBN 0-465-02437-8
  • Steven Weinberg (1994) Dreams of a Final Theory. Vintage Books. ISBN 0-679-74408-8
  • J.R. Etxebarria (1994) Teoria fisikoen oinarriak. Udako Euskal Unibertsitatea (UEU) ISBN: 84-86967-57-0

Ikus, gaineraAldatu

Kanpo estekakAldatu