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CIENCIA. Las cuatro fuerzas del universo: (III) Fuerza Nuclear Débil



La fuerza nuclear débil es una de las cuatro fuerzas fundamentales que gobiernan toda la materia en el Universo (las otras tres son la fuerza de gravedad, el electromagnetismo y la fuerza nuclear fuerte).  


Mientras que las otras fuerzas mantienen las cosas juntas, la fuerza débil juega un papel más importante en las cosas que se desmoronan o se descomponen.

La fuerza débil, o interacción débil, es más fuerte que la gravedad, pero solo es efectiva a distancias muy cortas. Las partículas afectadas por esta fuerza deben pasar entre 10 -17 metros entre sí para interactuar, y la probabilidad de que lo hagan es baja, incluso a esa distancia, las partículas tienen que poseer altas energías. Por lo tanto actúa en un nivel subatómico y desempeña un papel crucial en el funcionamiento de las estrellas y en la creación de elementos. También es responsable de gran parte de la radiación natural presente en el universo.

EL MODELO ESTÁNDAR
El Modelo Estándar describe la estructura fundamental de la materia. Bajo este modelo, las partículas elementales, es decir, aquellas que no pueden dividirse en partes más pequeñas, constituyen los fundamentos de la  construcción del Universo. Una de estas partículas es el quark. Los científicos no han observado nada más pequeño aunque siguen probando. 

Los quarks se agrupan en pares distintos, también llamados "sabores": up/down, charm/strange, top/bottom.  

En diferentes combinaciones, los quarks forman las partículas subatómicas.  Por ejemplo, dos quarks UP + un quark DOWN forman un protón, mientras que un quark UP + 2 quarks DOWN forman un neutrón.  Cambiar el “sabor” de un quark puede transformar un protón en un neutrón o viceversa, convirtiendo así un elemento en otro diferente.

Otro tipo de partícula elemental es el bosón. Estas son partículas portadoras de fuerza que están formadas por haces de energía. Los fotones son un tipo de bosón; los gluones son otro. Cada una de las cuatro fuerzas resulta del intercambio de partículas portadoras de fuerza. La fuerza fuerte es llevada por el gluón, mientras que la fuerza electromagnética es llevada por el fotón. El gravitón es teóricamente la partícula portadora de la gravedad , pero aún no se ha encontrado.

Estructura de la materia

BOSONES W Y Z 
La fuerza débil es llevada por los bosones W y Z. Los primeros tienen carga eléctrica y están designados por sus símbolos: W+ (carga positiva) y W- (carga negativa). El bosón W cambia la composición de las partículas. Así, al emitir un bosón W cargado eléctricamente, la fuerza débil cambia el “sabor” de un quark, lo que transforma un protón (átomo de hidrógeno) en un neutrón, o viceversa. Esto desencadena una fusión nuclear y hace que la estrellas brillen. 

La fusión nuclear genera elementos más pesados que, eventualmente, son proyectados al espacio en forma de explosiones de supernovas para convertirse en las estructuras que dan lugar a los planetas, junto con la vegetación, los animales y todo los que podemos observar en la Tierra. 

Por su parte, el bosón Z tiene carga neutra y es portador de una corriente neutra débil. Su interacción con las partículas es difícil de detectar.

DESINTEGRACION BETA ( β)
El proceso en el que un neutrón se transforma en un protón y viceversa se llama desintegración beta. Esta ocurre cuando, en un núcleo con demasiados protones o demasiados neutrones, uno de los protones o neutrones se transforma en el otro. Por lo tanto tenemos dos tipos. En la desintegración   β− un neutrón se desintegra en un protón, un electrón y un antineutrino.  En la desintegración  β+ un protón se desintegra en un neutrón, un positrón y un neutrino.  

Este proceso hace que un elemento pueda cambiar mediante la desintegración beta. Las partículas beta se pueden utilizar para tratar problemas de salud como el cáncer de los ojos y los huesos y también se usan como marcadores. El estroncio 90 (Sr-90) es el material radiactivo más utilizado para producir  partículas beta para usos médicos.

En la fusión nuclear, la desintegración radiactiva convierte el hidrógeno (H) en helio (He) que es la fuente que alimenta al Sol.

FUSIÓN NUCLEAR
La fuerza débil juega un papel importante en la fusión nuclear, es la reacción que da vida a las estrellas. Estas reacciones de fusión ocurren cuando dos o más núcleos atómicos se acercan lo suficiente, con unas condiciones de presión y temperatura extremas, como para que la fuerza fuerte que los une, sea más intensa que la fuerza electrostática que los separa. Entonces los núcleos se fusionan creando núcleos mas pesados dando lugar a una gran reacción exotérmica (gran emisión de energía). Esto genera una forma inestable de helio (2He), que tiene un núcleo con dos protones, a diferencia de la forma estable de helio (4He), que tiene dos protones y dos neutrones.

Es ahora cuando la fuerza nuclear débil se hace notar.  Debido a la sobreabundancia de protones, uno de los dos experimenta desintegración beta. Después, otras reacciones posteriores, incluida la formación intermedia y la fusión de deuterio (3He) , finalmente forman 4He (helio) estable. 

Sin la fuerza débil nuestro Universo estaría en tinieblas, sin estrellas ni galaxias que dieran luz. 


Fuentes:
- Jefferson Lab. https://www.jlab.org/news/releases/protons-weak-charge-determined-first-time
- The Standar Model - CERN. https://home.cern/science/physics/standard-model

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