A força fraca é uma das quatro forças fundamentais que governam toda a matéria no universo (as outras três são gravidade, eletromagnetismo e a força forte).

Na fusão nuclear, o decaimento radioativo converte hidrogênio em hélio e alimenta o sol. Crédito da imagem: Designua/Shutterstock

Enquanto as outras forças mantêm as coisas unidas, a força fraca desempenha um papel maior na deterioração ou decaimento das coisas. 

A força fraca, ou interação fraca, é mais forte do que a gravidade, mas só é eficaz em distâncias muito curtas. Ele atua no nível subatômico e desempenha um papel crucial no fornecimento de energia às estrelas e na criação de elementos. Também é responsável por grande parte da radiação natural presente no universo, de acordo com o Thomas Jefferson National Accelerator Facility (Jefferson Lab). 

O físico italiano Enrico Fermi desenvolveu uma teoria em 1933 para explicar o decaimento beta, que é o processo pelo qual um nêutron em um núcleo se transforma em um próton e expulsa um elétron, frequentemente chamado de partícula beta neste contexto. “Ele definiu um novo tipo de força, a chamada interação fraca, que era responsável pelo decaimento, e cujo processo fundamental era transformar um nêutron em um próton, um elétron e um neutrino” Que mais tarde foi determinado como um anti-neutrino, escreveu Giulio Maltese, um historiador da física italiano, em "Particles of Man", um artigo publicado em 2013 na revista Lettera Matematica.

De acordo com Maltese, Fermi originalmente pensava que isso envolvia o que equivalia a uma distância zero ou força adesiva, em que as duas partículas tinham de se tocar para que a força funcionasse. Desde então, foi demonstrado que a força fraca é na verdade uma força atrativa que funciona em uma faixa extremamente curta de cerca de 0,1 por cento do diâmetro de um próton, de acordo com HyperPhysics, um site produzido pela Georgia State University.

O Modelo Padrão

A força fraca faz parte da teoria reinante da física de partículas, o Modelo Padrão, que descreve a estrutura fundamental da matéria usando uma "série elegante de equações", de acordo com o CERN, a Organização Europeia para Pesquisa Nuclear. No modelo padrão, as partículas elementares, isto é, aquelas que não podem ser divididas em partes menores, são os blocos de construção do universo. 

Uma dessas partículas é o quark. Os cientistas não viram nenhuma indicação de que haja algo menor do que um quark, mas ainda estão procurando. Existem seis tipos, ou "sabores", de quarks: up, down, strange, charm, bottom e top (em ordem crescente por massa). Em diferentes combinações, eles formam muitas espécies variadas do zoológico de partículas subatômicas, de acordo com o Pittsburgh Supercomputing Center. Por exemplo, prótons e nêutrons, as "grandes" partículas do núcleo de um átomo, consistem cada uma em feixes de três quarks. Dois altos e um baixo formam um próton; um para cima e dois para baixo formam um nêutron. Mudar o sabor de um quark pode transformar um próton em um nêutron, transformando assim o elemento em um diferente.

Outro tipo de partícula elementar é o bóson. Estas são partículas portadoras de força que são feitas de feixes de energia. Os fótons são um tipo de bóson; glúons são outro. Cada uma das quatro forças resulta da troca de partículas portadoras de força. A força forte é transportada pelo glúon, enquanto a força eletromagnética é transportada pelo fóton. O gráviton é teoricamente a partícula da gravidade portadora de força, mas ainda não foi encontrada.

Bósons W e Z

A força fraca é carregada pelos bósons W e Z. Essas partículas foram previstas pelos ganhadores do Nobel Steven Weinberg, Sheldon Salam e Abdus Glashow na década de 1960 e descobertas em 1983 no CERN.  

Bósons W são eletricamente carregados e são designados por seus símbolos: W⁺ (carga positiva) e W^- (carga negativa). O bóson W muda a composição das partículas. Ao emitir um bóson W eletricamente carregado, a força fraca muda o sabor de um quark, o que faz com que um próton se transforme em um nêutron, ou vice-versa. Isso é o que desencadeia a fusão nuclear e faz com que as estrelas queimem, de acordo com o CERN. A queima cria elementos mais pesados, que eventualmente são lançados no espaço em explosões de supernova para se tornarem os blocos de construção dos planetas, junto com as plantas, pessoas e tudo o mais na Terra.

O bóson Z tem carga neutra e carrega uma corrente neutra fraca. Sua interação com partículas é difícil de detectar. Experimentos para encontrar bósons W e Z levaram a uma teoria combinando a força eletromagnética e a força fraca em uma força "eletrofraca" unificada na década de 1960. No entanto, a teoria exigia que as partículas portadoras de força não tivessem massa, e os cientistas sabiam que o bóson W teórico tinha que ser pesado para explicar seu curto alcance. De acordo com o CERN, os teóricos explicaram a massa de W introduzindo um mecanismo invisível denominado mecanismo de Higgs, que exige a existência de um bóson de Higgs. Em 2012, o CERN relatou que cientistas usando o maior destruidor de átomos do mundo observaram uma nova partícula "consistente com a aparência de um bóson de Higgs".

Decaimento beta

O processo no qual um nêutron se transforma em um próton e vice-versa é chamado de decaimento beta. De acordo com o Lawrence Berkeley National Laboratory (LBL). "O decaimento beta ocorre quando, em um núcleo com muitos prótons ou nêutrons, um dos prótons ou nêutrons se transforma no outro." 

O decaimento beta pode ocorrer de duas maneiras, de acordo com o LBL. Em decaimento beta menos, às vezes anotado como β^- decaimento, um nêutron decai em um próton, um elétron e um antineutrino. No decaimento beta mais, às vezes anotado como decaimento β⁺, um próton decai em um nêutron, um pósitron e um neutrino. Um elemento pode se transformar em outro elemento quando um de seus nêutrons se transforma espontaneamente em próton por meio do decaimento beta menos ou quando um de seus prótons se transforma espontaneamente em nêutron por meio do decaimento beta mais. 

Captura de elétrons

Os prótons também podem se transformar em nêutrons por meio de um processo chamado captura de elétrons ou captura K. Quando há um número excessivo de prótons em relação ao número de nêutrons em um núcleo, um elétron, geralmente da camada mais interna do elétron, parece cair no núcleo. De acordo com Jacquelyn Yanch, professora do departamento de engenharia nuclear do Massachusetts Institute of Technology, em um artigo de 2001 "Decay Mechanisms", "Na captura de elétrons, um elétron orbital é capturado pelo núcleo pai, e os produtos são o núcleo filho e um neutrino." O número atômico do núcleo filho resultante é reduzido em 1, mas o número total de prótons e nêutrons permanece o mesmo.

Fusão nuclear

A força fraca desempenha um papel importante na fusão nuclear, a reação que alimenta o Sol e as bombas termonucleares (hidrogênio). O primeiro passo na fusão do hidrogênio é esmagar dois prótons juntos com energia suficiente para superar a repulsão mútua que eles experimentam devido à força eletromagnética. Se as duas partículas puderem ser aproximadas o suficiente uma da outra, a força forte pode uni-las. Isso cria uma forma instável de hélio (²He), que tem um núcleo com dois prótons, em oposição à forma estável de hélio (⁴He), que tem dois prótons e dois nêutrons. 

A próxima etapa é onde a força fraca entra em ação. Por causa da superabundância de prótons, um dos pares sofre decaimento beta. Depois disso, outras reações subsequentes, incluindo a formação intermediária e a fusão de ³He, acabam por formar um ⁴He estável. 

Recursos adicionais

• Jefferson Lab: Carga fraca do próton determinada pela primeira vez
• CERN explica o Modelo Padrão, o bóson W e Z de Higgs.
• Uma animação da decomposição do hidrogênio em hélio pode ser vista no site da Universidade de Nebraska-Lincoln.

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Referência:

LUCAS, Jim. What Is the Weak Force? Live Science, 24, dez. 2014. Disponível em: <https://www.livescience.com/49254-weak-force.html>. Acesso em: 03, jan. 2022.

Marcello Franciolle F T I P E
Founder - Gaia Ciência

Marcello é fundador da Gaia Ciência, que é um periódico científico que foi pensado para ser uma ferramenta para entender o universo e o mundo em que vivemos, com temas candentes e fascinantes sobre o Universo e Ciências da Terra para inspirar e encantar as pessoas. Ele é graduando em Administração pelo Centro Universitário N. Sra. do Patrocínio (CEUNSP) – frequentou a Universidade de Sorocaba (UNISO); graduação em Análise de Sistemas e onde participou do Encontro de Pesquisadores e Iniciação Científica (EPIC). Suas paixões são literatura, filosofia, poesia e claro ciência.