How big is Alcance da força fraca?

$Alcance da força fraca$

A força fraca é uma das quatro forças fundamentais da natureza e atua apenas em distâncias muito curtas. Seu alcance, a distância que ela consegue atingir, é de cerca de 10⁻¹⁸ metros, ou 1 attômetro. Isso é menos de um milésimo da largura de um próton.

Distância

Um attômetro equivale a 10⁻¹⁸ metros, ou um bilionésimo de um bilionésimo de metro. A notação 10⁻¹⁸ significa 1 dividido por um 1 seguido de 18 zeros. Esse alcance não é uma borda que alguém tenha medido com um instrumento. É uma estimativa, calculada a partir da massa das partículas que transmitem a força.

A força fraca é transmitida por partículas chamadas bósons W e Z. Elas são pesadas: um bóson W tem cerca de 86 vezes a massa de um próton, e um bóson Z, cerca de 97 vezes. A física quântica permite que uma partícula transmissora de força exista apenas por um instante breve, e quanto mais pesada a partícula, mais breve esse instante.

Mesmo se movendo a uma velocidade próxima à da luz, um bóson W consegue percorrer apenas cerca de 2 × 10⁻¹⁸ metros nesse tempo, segundo o livro-texto University Physics Volume 3. O CERN, o laboratório europeu de física de partículas, arredonda esse alcance para cerca de 10⁻¹⁸ metros. Ele acrescenta que a força desaparece completamente além do raio de um único próton.

Comparações de tamanho

Um próton, com cerca de 1,7 femtômetro (1,7 × 10⁻¹⁵ metros) de diâmetro, é cerca de 1.700 vezes mais largo que o alcance da força fraca.
A força forte, que mantém os quarks unidos dentro de prótons e nêutrons, alcança cerca de 10⁻¹⁵ metros, cerca de 1.000 vezes mais longe que a força fraca.
Experimentos constataram que um quark, se é que possui algum tamanho, tem menos de cerca de 8,6 × 10⁻¹⁹ metros de largura, um pouco menos que o alcance da força fraca.
Se o alcance da força fraca fosse ampliado até a largura de um fio de cabelo humano, cerca de 0,1 milímetro, um próton teria cerca de 17 centímetros de diâmetro, e um átomo de hidrogênio, cerca de 11 quilômetros de diâmetro.

O que a força fraca faz

A força fraca pode transformar um tipo de quark em outro. É assim que um nêutron se transforma em próton no decaimento beta, um tipo de decaimento radioativo. O nêutron emite um bóson W e se torna um próton, e o bóson W então se transforma em um elétron e um antineutrino.

A força fraca também pode transformar um próton em nêutron. Isso acontece na primeira etapa da fusão nuclear que alimenta o Sol. Dois prótons se combinam, e um deles se torna um nêutron, formando deutério, uma forma pesada de hidrogênio. Os neutrinos sentem apenas a força fraca e a gravidade, e a maioria atravessa um planeta inteiro sem ser detida.

Embora seja chamada de fraca, essa força é muito mais forte que a gravidade. O CERN explica que ela é essencialmente tão forte quanto a força eletromagnética, e parece fraca porque os pesados bósons W e Z limitam seu alcance.

A descoberta dos bósons W e Z

Enrico Fermi propôs a primeira teoria da força fraca em 1933. Na década de 1960, Sheldon Glashow, Abdus Salam e Steven Weinberg propuseram que as forças fraca e eletromagnética são duas formas de uma única força eletrofraca. A teoria deles previu a existência dos bósons W e Z e, combinada com experimentos anteriores, também suas massas.

Para produzir os bósons, físicos do CERN transformaram o maior acelerador do laboratório em uma máquina que colidia prótons com antiprótons. Os experimentos UA1 e UA2 observaram ali as duas partículas pela primeira vez em 1983, com as massas previstas. Carlo Rubbia e Simon van der Meer receberam o Prêmio Nobel de Física de 1984 pela descoberta.