Unificação
Eletrofraca

Decaimento beta e a interação fraca

A força nuclear fraca é responsável pelo decaimento beta — o processo pelo qual um nêutron decai em um próton, um elétron e um antineutrino. Isso acontece porque um quark down no nêutron é convertido em um quark up por meio de um bóson W⁻. A força fraca é a única força que quebra a simetria de sabor dos quarks — ou seja, capaz de converter um tipo de quark em outro.

O alcance da força fraca é extremamente curto — apenas cerca de 10⁻¹⁸ metros, muito menor que um próton. Isso se deve à grande massa dos seus bósons portadores: W⁺, W⁻ e Z⁰. Essa massa é a impressão digital direta da quebra de simetria de Higgs. Em baixas energias, a força fraca atua, portanto, como se fosse pontual — foi assim que Fermi a descreveu em sua teoria do decaimento beta de 1934, sem saber que havia bósons massivos por trás dela.

Outra particularidade da força fraca: ela viola a paridade ao máximo. Acopla-se exclusivamente a férmions de mão esquerda e antiférmions de mão direita. Quarks e elétrons de mão direita não participam da interação fraca. Essa violação máxima da paridade foi uma das maiores surpresas da física de partículas do século XX.

Bósons W e Z

Os bósons W e Z foram descobertos em 1983 no colisor próton-antipróton do CERN (SppS) — exatamente nas massas que a teoria eletrofraca havia previsto. Carlo Rubbia e Simon van der Meer receberam por isso o Prêmio Nobel em 1984. Foi uma prova triunfante do poder preditivo da teoria.

Glashow, Salam, Weinberg — uma força a partir de duas

Na década de 1960, Sheldon Glashow, Abdus Salam e Steven Weinberg desenvolveram, de forma independente, uma teoria que descreve o eletromagnetismo e a força fraca em um quadro comum. A ideia central: ambas as forças são manifestações de uma única simetria de calibre SU(2)×U(1), que foi quebrada logo após o Big Bang.

Acima de uma escala de energia de cerca de 100 GeV — alcançável em aceleradores modernos —, os bósons W e Z se comportam como se não tivessem massa e se tornam comparáveis a fótons. O eletromagnetismo e a força fraca tornam-se então indistinguíveis. Em baixas energias (no dia a dia), a quebra de simetria de Higgs desfaz essa unidade: W e Z ganham massa, o alcance da força fraca entra em colapso, e as duas forças passam a parecer radicalmente diferentes.

O enigma da massa dos neutrinos

No modelo padrão eletrofraco original, os neutrinos não têm massa — existem apenas na forma de mão esquerda e acoplam-se exclusivamente à força fraca. Mas experimentos de oscilação de neutrinos (SNO, Super-Kamiokande, Prêmio Nobel de 2015) mostraram: os neutrinos alternam entre seus três tipos de sabor — o que só é possível se tiverem massa.

Essa massa dos neutrinos não está contida no modelo padrão. Ela aponta para uma extensão — possivelmente neutrinos "estéreis" de mão direita, que não se acoplam à força fraca, ou um chamado mecanismo gangorra (seesaw), que explica as massas muito pequenas dos neutrinos a partir de uma nova escala de massa muito grande. A massa absoluta de cada neutrino ainda não é conhecida com precisão até hoje: medições diretas (KATRIN, 2025) estabelecem um limite superior de 0,45 eV/c² para a massa efetiva do neutrino do elétron, enquanto observações cosmológicas (Planck, DESI) restringem de forma bem mais rigorosa a soma das três massas de neutrinos para menos de aproximadamente 0,07–0,12 eV/c². Ambos são limites superiores — o fato de que as massas são maiores que zero decorre dos experimentos de oscilação, não de uma medição direta de massa.