La denominación «bosón» fue acuñada porPaul Dirac[2] para conmemorar la contribución del físico indioSatyendra Nath Bose,[3][4] junto con Einstein, en el desarrollo de la Estadística de Bose-Einstein la cual teoriza las características de las partículas elementales.[5]
Entre los ejemplos de bosones se incluyen partículas fundamentales comofotones,gluones, bosones W y Z (los cuatro bosones de gauge, portadores de fuerza delmodelo estándar), elbosón de Higgs, y elgravitón[6] de gravedad cuántica; partículas compuestas (por ej.: mesones y núcleos estables de número de masa par como eldeuterio (con un protón y un neutrón, número másico = 2), helio-4 o plomo-208; y algunas cuasipartículas (pares de Cooper, plasmones, yfonones).[7]
Lafunción de onda cuántica que describe sistemas de bosones es simétrica respecto al intercambio de partículas.
Por elteorema espín-estadística sabemos que la segunda y tercera característica son consecuencia necesaria de la primera.
Algunos bosones, aunque se comportan como bosones, de hecho están compuestos de otras partículas. Por ejemplo, los núcleos de átomos de helio, bajo ciertas condiciones, se comportan como bosones aun cuando están compuestos por cuatro fermiones que, a su vez, no son elementales cuando son examinados en experimentos de muy alta energía.
Todas laspartículas elementales observadas son bosones (con espín entero) ofermiones (con espín medio entero impar).[8] Mientras que las partículas elementales que componen la materia ordinaria (leptones yquarks) son fermiones, los bosones elementales ocupan un papel especial en la física de partículas. Actúan comoportadores de fuerza que dan lugar a fuerzas entre otras partículas, o en un caso dan lugar al fenómeno demasa.
Unbosón tensor (espín=2) llamadogravitón (G) ha sido planteado como el portador de fuerza para lagravedad, pero hasta ahora todos los intentos de incorporar la gravedad en el modelo estándar han fallado.[a]
Un bosón de gauge o bosón intermediario es una partícula (de hecho, unbosó) que actúa como portadora de unainteracción fundamental de la naturaleza. Más específicamente, la interacción entre laspartículas elementales está descrita por lateorías de campos de gauge y se ejerce mediante el intercambio de bosones de gauge entre sí, usualmente comopartículas virtuales.
Emisión de un fotón por parte de un electrón, por ejemplo en la transición entre un nivel excitado de un átomo y el nivel fundamental.Representación de unfotón en los diagramas de Feynman.
Los fotones fueron propuestos por el físico alemánAlbert Einstein (1879-1955), en 1905, para dar una explicación satisfactoria a la propagación de la luz en fenómenos como elefecto fotoeléctrico. Con la realización de experimentos de choque entre electrones y radiación luminosa (efecto Compton) se ha podido constatar el carácter de partícula que presenta a veces el fotón, lo que permite asociarle unmomento linealhν/c y una energíahv (siendoh laconstante de Planck,v lafrecuencia de la radiación yc lavelocidad de la luz en el vacío).[9]
Representación del bosónW+ en los diagramas de Feynman.
Hay tres bosones vectoriales intermediaros que transmiten lainteracción débil: el bosónW+, con una carga eléctrica de+e, es decir, 1,602 × 10–19 C; el bosónW–, antipartícula del anterior y con carga–e (–1,602 × 10–19 C), y el bosónZ0, que es eléctricamente neutro. La masa del bosónW es de 80,399 (23) GeV/c2 y la del bosón Z, de 98,187 6 (21) GeV/c2.[10] La masa delprotón es de 0,938 GeV/c2, por lo tanto, los bosonesW tienen unas masas ochenta y seis veces superiores a la del protón, y el bosónZ ciento cinco veces superior. Esta característica es responsable de la extremadamente corta distancia de la fuerza débil, la cual tiene una influencia confinada a una distancia de aproximadamente 10–17 metros porque, según establece lamecánica cuántica, la distancia de acción de una fuerza determinada tiende a ser inversamente proporcional a la masa de la partícula que la transmite.[11]
La existencia de los bosones vectoriales intermedios y sus propiedades fue predicha a finales de los años sesenta por los físicosSheldon Lee Glashow (1932),Steven Weinberg (1933-2021) yAbdus Salam (1926-1996). Sus esfuerzos teóricos, conocidos actualmente comoteoría electrodébil, explican que la fuerza electromagnética y la fuerza débil, consideradas durante mucho tiempo como entidades separadas, son en realidad manifestaciones de la misma interacción fundamental. Así como la fuerza electromagnética se transmite mediante partículas portadoras conocidas como fotones, la fuerza débil se intercambia a través de los tres tipos de bosones vectoriales intermediosW+, W– y Z0.[11]
Desintegración β–. Unneutrón formado por los quarksudd, en la parte inferior (tiempo inicial), se transforma en unprotón formado por los quarksudu y un bosónW–, el cual se desintegra en unelectróne–, que conserva la carga negativa, y unantineutrino electrónico.[12]
En procesos de baja energía como ladesintegración β, las partículas pesadasW se pueden intercambiar solo porque elprincipio de incertidumbre de Heisenberg permite fluctuaciones en masa-energía durante intervalos de tiempo suficientemente cortos. Estas partículasW no se pueden observar directamente. Sin embargo, es posible producir partículasW detectables en experimentos conaceleradores de partículas que involucren colisiones entre partículas subatómicas, siempre que la energía de la colisión sea lo suficientemente alta. Una partículaW de este tipo decae luego en unleptón cargado (por ejemplo, un electrón, un muón o un tau) y un neutrino asociado, o en un quark y un antiquark de tipo diferente (o «sabor») pero con una carga total de +1 o –1.[11]
En 1983, dos experimentos en laOrganización Europea para la Investigación Nuclear (CERN) enGinebra detectaron características que se aproximaban estrechamente a las predicciones para la formación y desintegración de las partículasW yZ. Sus resultados constituyeron la primera evidencia directa de los bosones débiles y proporcionaron un fuerte apoyo para la teoría electrodébil. Los bosones Z y W fueron observados posteriormente de manera más directa en 1983 en experimentos de colisionesprotón-antiprotón de alta energía realizados en el CERN. El físico del CERNCarlo Rubbia (1934) y el ingenieroSimon van der Meer (1925-2011) recibieron elPremio Nobel de Física de 1984 en reconocimiento a su papel en el descubrimiento de las partículasW yZ.[11]
Las mediciones realizadas en el CERN muestran que cuando el bosónZ se desintegra en paresneutrino-antineutrino, produce únicamente tres tipos de neutrinos ligeros. Esta medida es de importancia fundamental, ya que indica que solo existen tres conjuntos de leptones y quarks, los elementos básicos de la materia.[13]
Representación de un gluón en losdiagramas de Feynman.Diagrama de Feynman que explica la interacción entre un quark verde y uno azul que cambian de color como consecuencia del intercambio de un gluón verde-antiazul.
Losgluones son bosones de gauge o intermedios de masa nula,carga eléctrica nula yespín 1, se simbolizan comog. Transmiten lainteracción nuclear fuerte entrequarks. Así, los quarks interactúan emitiendo y absorbiendo gluones, de la misma manera que las partículas cargadas eléctricamente interactúan mediante la emisión y absorción de fotones.[14] Los quarks pueden tener tres diferentes cargas de color (azul, verde y rojo) y, al emitir o absorber un gluón, cambian de carga de color. Sin embargo, los gluones son más complejos que los fotones. Estos no tienen carga eléctrica, pero los gluones tienen carga de color, lo que significa que interactúan entre ellos. Los gluones se presentan en ocho posibles estados de carga de color (verde-antiazul, azul-antirojo...) y, por eso, pueden acoplarse a las cargas de color dequarks yantiquarks. Al tener carga de color, los gluones no se pueden aislar y participan en los procesos de interacción nuclear fuerte acoplándose también entre sí, además de ser los intermediarios de la interacción.[15]
A diferencia de otras fuerzas conocidas, la interacción entre quarks no disminuye con la distancia. Este comportamiento implica que se necesita una enorme cantidad de energía para separar dos quarks, por ejemplo, el par quark-antiquark que forma unmesón. Se crea una cuerda de gluones entre ellos hasta el punto en que, al llegar a cierto momento, es energéticamente favorable la creación de un nuevo par quark-antiquark, de manera que el estado final es de dos mesones, en lugar de conseguir quarks libres. Este comportamiento es lo que se denomina confinamiento de quarks y hace que sean inobservables directamente.[16]
Teóricamente, pueden existir las llamadasbolas de gluones, que son partículas formadas por dos o más gluones, sin presencia de quarks. Aunque existen algunos candidatos a ser bolas de gluones, hasta el momento actual no se han identificado experimentalmente con certeza, ya que sus números cuánticos coinciden con los de los mesones ordinarios.[17]
El términogluon (gluón) fue acuñado en 1962 por el físico teórico estadounidenseMurray Gell-Mann (1929-2019) y proviene del inglésglue (pegamento).[15] En 1979 se confirmó la existencia de los gluones mediante la observación de la radiación de los gluones por los quarks en estudios de colisiones de partículas de alta energía en el laboratorio nacional alemán, el Deutsches Elektronen-Synchrotron (DESY), enHamburgo.[14]
Todas laspartículas elementales son bosones ofermiones, dependiendo de si su espín es entero o semientero. Enfísica de altas energías y departículas se dice que los bosones son los mediadores de fuerza opartículas portadoras de las interacciones fundamentales, puesto que los campos eléctromagnético, electrodébil, fuerte y presumiblemente el gravitatorio están asociados a partículas de espín entero. De hecho, la descripción cuántica de las interacciones fundamentales mencionadas consiste en el intercambio de una partícula que será siempre un bosón virtual. Así la interacción de dichos bosones virtuales con fermiones reales es lo que da lugar a dichas interacciones o fuerzas fundamentales. El alcance de dicha interacción en general viene dado por la masa de la partícula intercambiada.
Las partículas compuestas por otras partículas, como losprotones, losneutrones o losnúcleos atómicos, pueden ser bosones o fermiones dependiendo de su espín total. De ahí que muchos núcleos sean, de hecho, bosones. Basta que el número de fermiones que componga esa partícula sea par para que el sistema compuesto sea un bosón. Así, la mayoría de los elementos tiene isótopos que serán fermiones, es el caso delhelio-3, o bosones, como el helio-4. Eldeuterio es también bosón; sin embargo, sus vecinosprotio ytritio son fermiones.
Mientras que los fermiones están obligados a cumplir elprincipio de exclusión de Pauli: "no puede haber más de una partícula ocupando un mismo estado cuántico", no existe dicha exclusión para los bosones, ellos pueden ocuparestados cuánticos idénticos.El resultado de esto es que el espectro de un gas de fotones a cierta temperatura de equilibrio posee unespectro de Planck (ejemplos de ello son la radiación delcuerpo negro o la radiación delfondo cósmico de microondas, testigo que nos remonta al universo temprano). El trabajo conláseres, las propiedades desuperfluido del helio-4 y la reciente formación delcondensado de Bose-Einstein son todos consecuencia de la estadística de los bosones.
Las diferencias entre las estadísticas bosónica y fermiónica es solo apreciable en grandes densidades, cuando las funciones de onda se superponen. A bajas densidades, ambos tipos de estadísticas se aproximan a laestadística de Maxwell-Boltzmann, donde ambos tipos de partículas se comportan clásicamente.
↑Carroll, Sean (2007). «Guidebook Part 2».Dark Matter, Dark Energy: The Dark Side of the Universe. The Teaching Company.ISBN1598033506. «página 43».|fechaacceso= requiere|url= (ayuda)
↑Notes on Dirac's lectureDevelopments in Atomic Theory at Le Palais de la Découverte, 6 December 1945, UKNATARCHI Dirac Papers BW83/2/257889. See note 64 to p. 331 in "The Strangest Man" by Graham Farmelo
↑Bal, Hartosh Singh.«The Bose in the Boson».New York Times blog. Archivado desdeel original el 22 de septiembre de 2012. Consultado el 21 de Septiembr2 2012.
↑Carroll, Sean (2007).Guidebook. Dark Matter, Dark Energy: The dark side of the universe. The Teaching Company. Part 2, p. 43.ISBN978-1598033502. «... boson: A force-carrying particle, as opposed to a matter particle (fermion). Bosons can be piled on top of each other without limit. Examples are photons, gluons, gravitons, weak bosons, and the Higgs boson. The spin of a boson is always an integer: 0, 1, 2, and so on ...»
