QUE É REALMENTE UN BOSÓN?

Desde o seu descubrimento falouse por extenso sobre o bosón de Higgs, sobre como é capaz de dar masa ao resto de partículas coa súa interacción e como foi a última peza do crebacabezas do Modelo Estándar da física de partículas. E aínda que se fala moito de Higgs, do que predixo e do que supón o seu bosón non se fala tanto desa primeira parte de que é un bosón.

As partículas subatómicas veñen en dous grandes tipos: fermións e bosóns. Existen outras formas de clasificalas, en función da súa natureza ou a súa composición interna, pero esta clasificación é, se cabe, aínda máis fundamental. A diferenza entre fermións e bosóns está no valor do seu espín. Esta é unha propiedade puramente cuántica das partículas, relacionada co seu momento angular, pero non ten nada que ver con ningún movemento de rotación (como si teñen que ver o resto de compoñentes do momento angular). O espín é tan fundamental na definición dunha partícula como a súa masa ou a súa carga eléctrica. O espín dunha partícula, sexa fundamental ou composta, só pode tomar determinados valores, múltiplos da coñecida como constante de Planck reducida. Concretamente pode tomar valores 0, ½, 1, 3/2, 2, etc veces dita constante. Os fermións serán aquelas partículas cun espín semienteiro, é dicir, un espín que sexa ½, 3/2, 5/2, etc veces a constante de Planck. Os bosóns en cambio serán aquelas partículas cun espín enteiro, que poderá tomar valores como 0, 1, 2, etc veces este valor.

Un bosón é simplemente unha excitación dun campo cuántico cunhas propiedades concretas, polo que resulta difícil representalo gráficamente / DALL-E3/José Luis Oltra

Entre os fermións temos aos quarks, ao electrón ou ao neutrino, pero tamén ao protón e ao neutrón, que son partículas compostas pola combinación de tres quarks. Entre os bosóns temos, por suposto, ao predito por Peter Higgs, pero tamén ao fotón ou ao gluón. Concretamente, o bosón de Higgs tería un espín igual a 0, polo que dicimos que se trata dun bosón escalar. O gluón e o fotón, do mesmo xeito que os bosóns responsables da interacción débil, teñen espín igual a 1 e son bosóns vectoriais. O gravitón, o bosón hipotético que mediaría a interacción gravitatoria, tería espín igual a 2.

Esta distinción non serve unicamente para organizar as diferentes partículas en caixas mentais, senón que ten unha razón física detrás, pois o comportamento de bosóns e fermións, especialmente cando aparecen en grandes cantidades, é moi diferente. Este comportamento dicimos que vén ditado pola “estatística” de cada tipo de partícula. A estatística das partículas dinos como cambia o sistema do que forman parte cando intercambiamos dúas partículas calquera idénticas entre si. No caso dos bosóns, cando intercambios dous deles, á función que describe o sistema non lle pasa nada, non cambia. Para os fermións con todo non é así. Para estas partículas, a función adquire un signo menos, é dicir unha fase. Isto significa que dous fermións non poden ocupar simultaneamente o mesmo estado cuántico porque se o fixesen non tería sentido que aparecese esa fase ao intercambialas. Isto último é equivalente a dicir que os fermións obedecen o principio de exclusión de Pauli, que di precisamente iso, que dúas partículas non poderán ocupar o mesmo estado cuántico. Os bosóns non cumpren este principio e por tanto si poden ocupar o mesmo estado.

A consecuencia disto é que os fermións poden formar materia mentres que os bosóns non. Se as partículas que compoñen a materia puidesen agruparse todas nun mesmo estado cuántico, sería imposible ter obxectos voluminosos como os átomos e moléculas que compoñen toda a materia que hai na Terra. Este principio de exclusión de Pauli impide que os protóns e neutróns do núcleo se xunten máis do que xa están e impide a todos os electróns dun átomo ocupar o orbital de menor enerxía. Isto á súa vez permite a existencia dos átomos e da química, a partir da cal xorde a bioloxía. Resulta por tanto evidente que este principio de exclusión é moi importante.

Estas propiedades dos bosóns non só resultan importantes en procesos subatómicos ou de física de partículas. A supercondutividade por exemplo está relacionada con esta propiedade. Nun material superconductor fórmanse partículas que actúan como bosóns. Estas partículas son en verdade pares de electróns, coñecidos como pares de Cooper, que combinan os seus espines para formar entidades con espín 0 ou 1. Estes pares de electróns por tanto obedecen a estatística correspondente aos bosóns, podendo ocupar todos eles o mesmo nivel cuántico.

Outra manifestación destes conceptos no mundo macroscópico dáse na astrofísica. Cando as estrelas non demasiado masivas, como o noso Sol, chegan ao final dos seus días, o que deixan atrás é un denso núcleo, que recibe o nome de anana branca. Estas ananas brancas poden acumular unha masa comparable á do Sol nun tamaño similar á da Terra. Se non sucumben á súa propia gravidade é precisamente porque o principio de exclusión de Pauli impide aos electróns ocupar os mesmos niveis, o cal crea unha presión que contrarresta á gravidade. Cando a masa da anana branca medra demasiado, os electróns e protóns adquiren tanta enerxía, que poden fusionarse para formar neutróns, dando lugar a unha estrela de neutróns. Neste caso ocorre algo similar: o principio de exclusión de Pauli impide outra vez aos neutróns seguir comprimíndose. Se a masa aumenta aínda máis, a estrela de neutróns colapsa para formar un buraco negro. Talvez no interior do horizonte de sucesos resida un obxecto máis compacto que unha estrela de neutróns, formado por fermións aínda máis masivos, incapaces de comprimirse máis polo principio de exclusión.

FONTE: José Luis Oltra/muyinteresante.es/ciencia