Interazione debole e parità

È noto che in natura esistono 4 interazioni fondamentali: gravitazionale, elettromagnetica, nucleare forte e nucleare debole. Delle 4 solo quest'ultima, responsabile dell'emissione spontanea di particelle beta, non gode della simmetria di parità. Volevo delle delucidazioni a riguardo. Inoltre, sempre riguardo l'interazione nucleare debole, volevo sapere se esiste un'espressione analitica che la descrive o comunque quale sia, attualmente, il modello matematico più accreditato.

Massimo Rippa
16 ottobre 2003
La parità è la simmetria discreta che si ottiene invertendo il segno delle coordinate spaziali: è una trasformazione che agisce in modo del tutto equivalente a ciò che fa uno specchio quando riflette le immagini del mondo reale. Intuitivamente è naturale pensare che le leggi della fisica debbano essere invarianti rispetto a questa trasformazione. Tuttavia, a un esame più accurato è facile rendersi conto che il mondo che ci circonda non è affatto invariante rispetto a questa simmetria. Per esempio, guardandoci allo specchio vediamo l'immagine di un essere umano con il cuore a destra: una configurazione che nel mondo reale è quasi inesistente. Non c'è quindi da sorprendersi se questa simmetria è violata anche al livello delle interazioni fondamentali.

In generale una simmetria può essere rotta in due modi: in modo spontaneo o in modo esplicito. Il primo caso si realizza quando l'interazione rispetta la simmetria, ma lo stato di energia minima no. Questo tipo di rottura è alla base della maggior parte delle violazioni della simmetria di parità che osserviamo a livello macroscopico in natura. Per tornare all'esempio dell'uomo, possiamo ipotizzare che in questo caso la violazione della simmetria sia avvenuta grazie a scelte dei primi esseri viventi, che hanno selezionato in modo casuale tra due configurazioni in principio equivalenti. Grazie a tali scelte, lo stato di minima energia per la successiva evoluzione di esseri più complessi non è risultato più simmetrico.

Nel cosiddetto modello standard delle interazioni fondamentali, la violazione della simmetria di parità da parte delle interazioni deboli è una violazione esplicita: particelle identiche ma con spin (momento angolare intrinseco) opposto, connesse da una trasformazione di parità, risentono dell'interazione debole in modo completamente differente. Questo modello descrive con successo tutti i fenomeni fino a ora studiati. Tuttavia, alcuni fisici ipotizzano che tale modello sia il limite alle basse energie di una teoria più generale, dove la simmetria di parità è rotta in modo spontaneo.

Lo strumento matematico che ci permette di descrivere con estrema precisione e rigore le interazioni deboli e, più in generale, tutto il modello standard, è la cosiddetta teoria quantistica dei campi. Questo strumento è il frutto della sintesi tra meccanica quantistica, teoria dei campi classica e relatività ristretta (un'ottima introduzione semi-divulgativa alla teoria quantistica dei campi si trova nel libro QED di R. Feynmann).

Questo strumento, tuttavia, fornisce solo l'architettura per la descrizione matematica delle interazioni fondamentali e non fissa completamente la teoria. Parametri come le masse delle particelle o l'intensità delle varie interazioni non sono fissati a priori e devono essere dedotti dagli esperimenti. L'invarianza o meno sotto trasformazioni di parità delle interazioni deboli è anch'essa una proprietà che non è fissata a priori, ma segue dall'interpretazione dei dati sperimentali.

Gino Isidori Laboratori Nazionali di Frascati, INFN

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