Bosón

Bosón

Nom i càrrega elèctrica dels components de la matèria.

Distinció entre fermiones i bosones.

Fotografia de Satyendra Nath Bose.

En física de partícules, un bosón és un dels dos tipos bàsics de partícules elementals de la naturalea (l'atre tipo són els fermiones).

La denominació «bosón» va ser falcada per Paul Dirac per a commemorar la contribució del físic indi Satyendra Nath Bose, junt en Einstein, en el desenroll de l'Estadística de Bose-Einstein la qual teoriza les característiques de les partícules elementals.

Entre els eixemples de bosones s'inclouen partícules fonamentals com fotons, gluones, bosones W i Z (els quatre bosones de gauge, portadors de força del model estàndar), el bosón de Higgs, i el gravitón de gravetat quàntica; partícules compostes (per ej.: posades i núcleus estables d'número parell com el deuteri (en un protó i un neutró, número másico = 2), heli-4 o plom-208; i algunes cuasipartículas (parells de Cooper, plasmones, i fonones).

Els bosones es caracterisen per:

1. Tenen un espin sancer (0,1,2,...).
2. No complixen el principi d'exclusió de Pauli i seguixen l'estadística de Bose-Einstein. Açò fa que presenten un fenomen cridat condensació de Bose-Einstein (el desenroll de màserés i làserés va ser possible posat que els fotons de la llum són bosones).
3. La funció d'ona quàntica que descriu sistemes de bosones és simètrica respecte a l'intercanvi de partícules.

Pel teorema espin-estadística sabem que la segona i tercera característica són conseqüència necessària de la primera.

Alguns bosones, encara que es comporten com bosones, de fet estan composts d'atres partícules. Per eixemple, els núcleus d'àtoms d'heli, baix certes condicions, es comporten com bosones aun cuando estan composts per quatre fermiones que, a la seua volta, no són elementals quan són examinats en experiments de molt alta energia.

Eixemples de bosones

Bosones composts

• El núcleu de deuteri, un isòtop del hidrogen.
• Núcleus d'heli-4 o partícules alfa.
• En definitiva, qualsevol núcleu en espin sancer.

Bosones de gauge simples

Vore també Anex:Taula_de_partícules#Bosones

Totes les partícules elementals observades són bosones (en espin sancer) o fermiones (en espin mig sancer impar). Mentres que les partícules elementals que componen la matèria ordinària (leptones i quarks) són fermiones, els bosones elementals ocupen un paper especial en la física de partícules. Actuen com portadors de força que donen lloc a forces entre atres partícules, o en un cas donen lloc al fenomen de massa.

Segons el Model Estàndar de Física de Partícules hi ha cinc bosones elementals:

• Un bosón escalar (espin=0)
  • H⁰ Bosón de Higgs – la partícula que dona lloc al fenomen de massa a través del mecanisme de Higgs
• Quatre bosones vectorials (espin=1) que actuen com portadors de força. Estos són els bosones de gauge:
  • γ   Fotons – el portador de força del camp electromagnètic
  • g   Gluonés (huit tipos diferents): portadors de força que medien en la força forta
  • Z   Bosón dèbil neutre – el portador de força que media la força dèbil
  • W^±   Bosones dèbils carregats (dos tipos): també portadors de força que medien en la força dèbil

Un bosón tensor (espin=2) cridat gravitón (G) ha segut plantejat com el portador de força per a la gravetat, pero fins ara tots els intents d'incorporar la gravetat en el model estàndar han fallat.

Uns atres

• Fonones.
• Bosón X.

Bosones intermijos o de gauge

Un bosón de gauge o bosón intermediari és una partícula (de fet, un bosó) que actua com a portadora d'una interacció fonamental de la naturalea. Més específicament, l'interacció entre les partícules elementals està descrita per la teories de camps de gauge i s'eixercix per mig de l'intercanvi de bosones de gauge entre sí, usualment com partícules virtuals.

Fotons

Emissió d'un fotó per part d'un electró, per eixemple en la transició entre un nivell excitat d'un àtom i el nivell fonamental.

Representació d'un fotó en els diagrames de Feynman.

Els fotons formen la radiació electromagnètica (ones de radi, llum, rajos ultravioletas, rajos X, rajos gama... ), són emesos i absorbits per la matèria i transporten l'interacció electromagnètica. El fotó posseïx espin igual a 1, i, per lo tant, és un bosón; que la seua massa en repòs és nula, la helicidad del fotó pot ser 1 o -1, pero no 0. Se li representa per mig del símbol γ.

Els fotons varen ser proposts pel físic alemà Albert Einstein (1879-1955), en 1905, per a donar una explicació satisfactòria a la propagació de la llum en fenomens com l'efecte fotoeléctrico. En la realisació d'experiments de choc entre electrons i radiació lluminosa (efecte Compton) s'ha pogut constatar el caràcter de partícula que presenta a voltes el fotó, lo que permet associar-li un moment llineal hν/c i una energia hv (sent h la constant de Planck, v la freqüència de la radiació i c la velocitat de la llum en el buit).

Bosones W i Z

Representació del bosón W⁺ en els diagrames de Feynman.

Hi ha tres bosones vectorials intermediaros que transmeten l'interacció dèbil: el bosón W⁺, en una càrrega elèctrica de +i, és dir, 1,602 × 10^–19 C; el bosón W^–, antipartícula de l'anterior i en càrrega –i (–1,602 × 10^–19 C), i el bosón Z⁰, que és eléctricamente neutre. La massa del bosón W és de 80,399 (23) GeV/c² i la del bosón Z, de 98,187 6 (21) GeV/c². La massa del protón és de 0,938 GeV/c², per lo tant, els bosones W tenen unes masses ochenta y seis voltes superiors a la del protón, i el bosón Z cent cinc voltes superior. Esta característica és responsable de l'extremadament curta distància de la força dèbil, la qual té una influència confinada a una distància d'aproximadament 10^–17 metros perque, segons establix la mecànica quàntica, la distància d'acció d'una força determinada tendix a ser inversamente proporcional a la massa de la partícula que la transmet.

L'existència dels bosones vectorials intermijos i les seues propietats va ser predita a finals dels anys xixanta pels físics Sheldon Lee Glashow (1932), Steven Weinberg (1933-2021) i Abdus Salam (1926-1996). Els seus esforços teòrics, coneguts actualment com teoria electrodébil, expliquen que la força electromagnètica i la força dèbil, considerades durant molt temps com a entitats separades, són en realitat manifestacions de la mateixa interacció fonamental. Aixina com la força electromagnètica es transmet per mig de partícules portadores conegudes com a fotons, la força dèbil s'intercanvia a través dels tres tipos de bosones vectorials intermijos W⁺, W^– i Z⁰.

Desintegració β^–. Un neutró format pels quarks udd, en la part inferior (temps inicial), es transforma en un protón format pels quarks udu i un bosón W^–, el qual es desintegra en un electró i^–, que conserva la càrrega negativa, i un antineutrino electrònic ${\bar{\nu }}_e$.

En processos de baixa energia com la desintegració β, les partícules pesades W es poden intercanviar solament perque el principi d'incertitut de Heisenberg permet fluctuacions en massa-energia durant intervals de temps suficientment curts. Estes partícules W no es poden observar directament. No obstant, és possible produir partícules W detectables en experiments en acceleradors de partícules que involucren colisions entre partícules subatòmiques, sempre que l'energia de la colisió siga lo suficientment alta. Una partícula W d'este tipo decau després en un leptón carregat (per eixemple, un electró, un muón o un tau) i un neutrino associat, o en un quark i un antiquark de tipo diferent (o «sabor») pero en una càrrega total de +1 o –1.

En 1983, dos experiments en l'Organisació Europea per a l'Investigació Nuclear (CERN) en Ginebra varen detectar característiques que s'aproximaven estretament a les prediccions per a la formació i desintegració de les partícules W i Z. Els seus resultats varen constituir la primera evidència directa dels bosones dèbils i varen proporcionar un fort respal per a la teoria electrodébil. Els bosones Z i W varen ser observats posteriorment de manera més directa en 1983 en experiments de colisions protón-antiprotón d'alta energia realisats en el CERN. El físic de el CERN Carlo Rubbia (1934) i l'ingenier Simon van der Meer (1925-2011) varen rebre el Premi Nobel de Física de 1984 en reconeiximent al seu paper en el descobriment de les partícules W i Z.

Les medicions realisades en el CERN mostren que quan el bosón Z es desintegra en parells neutrino-antineutrino, produïx únicament tres tipos de neutrinos llaugers. Esta mida és d'importància fonamental, ya que indica que solament existixen tres conjunts de leptones i quarks, els elements bàsics de la matèria.

Gluones

Representació d'un gluón en els diagrames de Feynman.

Diagrama de Feynman que explica l'interacció entre un quark vert i un de blau que canvien de color com a conseqüència de l'intercanvi d'un gluón vert-antiazul.

Els gluones són bosones de gauge o intermijos de massa nula, càrrega elèctrica nula i espin 1, se simbolisen com a g. Transmeten l'interacció nuclear forta entre quarks. Aixina, els quarks interactuen emetent i absorbint gluones, de la mateixa manera que les partícules carregades eléctricamente interactuen per mig de l'emissió i absorció de fotons. Els quarks poden tindre tres diferents càrregues de color (blau, vert i roig) i, en emetre o absorbir un gluón, canvien de càrrega de color. No obstant, els gluones són més complexos que els fotons. Estos no tenen càrrega elèctrica, pero els gluones tenen càrrega de color, lo que significa que interactuen entre ells. Els gluones es presenten en huit possibles estats de càrrega de color (vert-antiazul, blau-antirojo...) i, per això, poden acoplar-se a les càrregues de color de quarks i antiquarks. En tindre càrrega de color, els gluones no es poden aïllar i participen en els processos d'interacció nuclear forta acoplant-se també entre sí, ademés de ser els intermediaris de l'interacció.

A diferència d'atres forces conegudes, l'interacció entre quarks no disminuïx en la distància. Este comportament implica que es necessita una enorme cantitat d'energia per a separar dos quarks, per eixemple, el parell quark-antiquark que forma un posada. Es crea una corda de gluones entre ells fins al punt en que, en aplegar a cert moment, és energèticament favorable la creació d'un nou parell quark-antiquark, de manera que l'estat final és de dos posades, en lloc de conseguir quarks lliures. Este comportament és lo que es denomina confinament de quarks i fa que siguen inobservables directament.

Teòricament, poden existir les cridades boles de gluones, que són partícules formades per dos o més gluones, sense presència de quarks. Encara que existixen alguns candidats a ser boles de gluones, fins al moment actual no s'han identificat experimentalment en certea, ya que els seus números quàntics coincidixen en els de les posades ordinàries.

El terme gluon (gluón) va ser falcat en 1962 pel físic teòric nortamericà Murray Gell-Mann (1929-2019) i prové de l'anglés glue (pegament). En 1979 es va confirmar l'existència dels gluones per mig de l'observació de la radiació dels gluones pels quarks en estudis de colisions de partícules d'alta energia en el laboratori nacional alemà, el Deutsches Elektronen-Synchrotron (DESY), en Hamburc.