Caratteristiche delle interazioni deboli e i neutrini

Riassunto

In questo capitolo inizieremo a descrivere le interazioni deboli, week interactions, WI¹. Le interazioni deboli sono strettamente connesse con la storia del leptone chiamato da Fermi neutrino. Ci soffermeremo sui fenomeni fisici che hanno portato alla formulazione dell’ipotesi del neutrino, sulla sua scoperta sperimentale, sulla scoperta di diversi sapori di neutrini. Formuleremo dapprima queste nuove scoperte nell’ambito matematico della teoria iniziata dallo stesso Fermi. In particolare, vedremo che:

• (i) Le particelle i cui decadimenti sono causati dall’interazione debole hanno vite medie relativamente lunghe (tipicamente dell’ordine di 10⁻¹⁰ s, da confrontare con i 10⁻¹⁹ s dei decadimenti via interazione elettromagnetica e 10⁻²³ s di quelli via interazione forte).

• (ii) Le sezioni d’urto di processi dovuti all’interazione debole sono molto piccole, pur aumentando linearmente con l’energia nel laboratorio. A 1 MeV sono dell’ordine di 10⁻⁴³ cm², a 1 GeV sono dell’ordine di 10⁻³⁸ cm² (a questa energia sono circa 10¹² volte più piccole delle sezioni d’urto di processi dovuti all’interazione forte).

• (iii) I neutrini sono soggetti alle sole interazioni deboli; i leptoni carichi sono soggetti alle interazioni deboli e a quella elettromagnetica.

• (iv) Le interazioni deboli non conservano alcune quantità che sono invece conservate nell’interazione elettromagnetica e/o in quella forte. Per esempio sono violate: la parità P, la coniugazione di carica C, la stranezza S (ma in un decadimento debole si ha una variazione regolare della stranezza, ΔS=±1).

• (v) Le interazioni deboli non giocano alcun ruolo nel “legare” sistemi submicroscopico; giocano un ruolo importante nei decadimenti radioattivi β e a livello cosmico. Per esempio la catena di reazioni nucleari all’interno del sole inizia e dipende criticamente dalla reazione pp→de⁺ν _e dovuta all’interazione debole.

Interazioni o interazione debole? Lo standard viene definito dal Particle Data Group [08P1], che le indica al plurale. Inizialmente poteva sembrare che le interazioni potessero differire leggermente tra le WI di quark e leptoni. Mostreremo che le interazioni deboli sono universali e che potrebbe adattarsi meglio la forma singolare. Il plurale oggi indica che ci sono interazioni deboli a corrente carica (CC) e a corrente neutra (NC). Useremo talvolta la forma singolare quando vorremo evidenziare l’universalità dell’interazione tra quark e leptoni.