How big is Alcance de la fuerza débil?

La fuerza débil es una de las cuatro fuerzas fundamentales de la naturaleza, y solo actúa a distancias muy cortas. Su alcance, es decir, la distancia a la que puede llegar, es de unos 10⁻¹⁸ metros, o 1 attómetro. Eso es menos de una milésima del ancho de un protón.

Distancia

Un attómetro es 10⁻¹⁸ metros, una milmillonésima de milmillonésima de metro. La notación 10⁻¹⁸ significa 1 dividido entre un 1 seguido de 18 ceros. El alcance no es un límite que se haya medido con un instrumento. Es una estimación, calculada a partir de la masa de las partículas que transmiten la fuerza.

La fuerza débil la transmiten unas partículas llamadas bosones W y Z. Son pesadas: un bosón W tiene unas 86 veces la masa de un protón, y un bosón Z, unas 97 veces. La física cuántica permite que una partícula portadora de una fuerza exista solo durante un instante breve, y cuanto más pesada es la partícula, más breve es ese instante.

Aun moviéndose casi a la velocidad de la luz, un bosón W solo puede recorrer unos 2 × 10⁻¹⁸ metros en ese tiempo, según el libro de texto University Physics Volume 3. El CERN, el laboratorio europeo de física de partículas, redondea el alcance a unos 10⁻¹⁸ metros. También señala que la fuerza desaparece por completo más allá del radio de un solo protón.

Comparaciones de tamaño

Un protón, de unos 1.7 femtómetros (1.7 × 10⁻¹⁵ metros) de diámetro, es unas 1,700 veces más ancho que el alcance de la fuerza débil.
La fuerza fuerte, que mantiene unidos a los quarks dentro de los protones y los neutrones, llega a unos 10⁻¹⁵ metros, unas 1,000 veces más lejos que la fuerza débil.
Los experimentos han encontrado que un quark, si es que tiene algún tamaño, mide menos de unos 8.6 × 10⁻¹⁹ metros de diámetro, un poco menos que el alcance de la fuerza débil.
Si el alcance de la fuerza débil se ampliara hasta el grosor de un cabello humano, unos 0.1 milímetros, un protón mediría unos 17 centímetros de diámetro y un átomo de hidrógeno, unos 11 kilómetros.

Qué hace la fuerza débil

La fuerza débil puede transformar un tipo de quark en otro. Así es como un neutrón se convierte en un protón en la desintegración beta, un tipo de desintegración radiactiva. El neutrón emite un bosón W y se convierte en un protón, y luego el bosón W se transforma en un electrón y un antineutrino.

La fuerza débil también puede convertir un protón en un neutrón. Eso ocurre en el primer paso de la fusión nuclear que da energía al Sol. Dos protones se unen y uno de ellos se convierte en neutrón, y así se produce deuterio, una forma pesada de hidrógeno. Los neutrinos solo sienten la fuerza débil y la gravedad, y la mayoría atraviesa un planeta entero sin que nada los detenga.

Aunque se llama débil, esta fuerza es mucho más intensa que la gravedad. El CERN explica que en esencia es tan intensa como la fuerza electromagnética, y que parece débil porque los pesados bosones W y Z limitan su alcance.

El descubrimiento de los bosones W y Z

Enrico Fermi formuló la primera teoría de la fuerza débil en 1933. En la década de 1960, Sheldon Glashow, Abdus Salam y Steven Weinberg propusieron que las fuerzas débil y electromagnética son dos formas de una sola fuerza electrodébil. Su teoría predijo la existencia de los bosones W y Z y, combinada con experimentos anteriores, también sus masas.

Para producir los bosones, los físicos del CERN convirtieron el acelerador más grande del laboratorio en una máquina que hacía chocar protones con antiprotones. Los experimentos UA1 y UA2 observaron allí ambas partículas por primera vez en 1983, con las masas predichas. Carlo Rubbia y Simon van der Meer recibieron el Premio Nobel de Física de 1984 por el descubrimiento.