Definición de Bosón

Ángel Zamora Ramírez
Licenciado en Física

Un bosón es uno de los dos tipos de partículas elementales. Los bosones son las partículas encargadas de mediar las interacciones fundamentales que ocurren entre los fermiones, los cuáles son el otro tipo de partículas elementales.

Los fotones que componen la luz que observamos, los gluones que mantienen unidos los núcleos atómicos y los bosones W y Z que participan en la desintegración radioactiva y el Bosón de Higgs que le brinda masa a la materia pertenecen a la misma familia de partículas elementales.

Estadística de Bose – Einstein

En términos generales los bosones son aquellas partículas que obedecen la “Estadística de Bose – Einstein”, se trata de un tipo de mecánica estadística que describe conjuntos de partículas indistinguibles entre sí, fue propuesta por el físico indio Satyendra Nath Bose y el físico alemán Albert Einstein. De hecho, el nombre “bosón” fue acuñado por Paul Dirac en honor a Satyendra Nath Bose.

La estadística de Bose – Einstein explica que los bosones, a diferencia de los fermiones, pueden estar en el mismo estado energético a la vez. Esto explica, por ejemplo, porque los fotones de un láser no tienen dificultad en coexistir en el mismo estado, cosa que no podría ocurrir con los fermiones.

Cuando un conjunto de bosones se encuentra a temperaturas cercanas al cero absoluto buscan todos el estado de mínima energía, de tal manera que se aglutinan o se condensan todos en ese mismo estado. Esto es lo que se conoce como “Condensado de Bose – Einstein” y pudo ser obtenido en laboratorio en el año 1955 gracias al trabajo de los científicos Eric Cornell y Carl Wieman.

Propiedades de los bosones

Los bosones poseen características y propiedades que los diferencian de los fermiones. Estas son:

Cómo se mencionó anteriormente, los bosones obedecen la estadística de Bose – Einstein. Dicho de otra manera, los bosones no satisfacen el Principio de Exclusión de Pauli, de tal manera que varios bosones pueden ocupar el mismo estado cuántico.

La función de onda que describe un sistema de bosones es simétrica respecto al intercambio de partículas. Imaginemos que tenemos un bosón en una posición x y otro bosón en otra posición y, y por alguna razón estos bosones intercambian su posición entre sí. Sean ψ(x,y) y ψ(y,x) las funciones de onda que describen ambos casos, respectivamente, tenemos entonces que:

ψ(x,y) = ψ(y,x)

El spin de los bosones es entero, es decir, puede tener valores de (0,1,2,…). Esto se contrapone con los fermiones cuyos spines son semi-enteros.

Los distintos bosones

En el Modelo Estándar de la Física de Partículas podemos encontrar 5 bosones que han sido descubiertos hasta la fecha:

Fotón: Es el bosón portador de la interacción electromagnética. Tiene un spin igual a 1, no tiene carga eléctrica y tampoco tiene masa. Esta última característica es la razón por la cual los fotones viajan a la velocidad de la luz.

Gluón: Es el bosón portador de la fuerza nuclear fuerte que mantiene unidos los núcleos atómicos. Al igual que el fotón posee un spin igual a 1, carece de carga eléctrica y también de masa. No obstante, los gluones tienen otra propiedad llamada “carga de color”, se trata de una propiedad cuántica que en el contexto de la Cromodinámica Cuántica (QCD) describe la interacción fuerte que existe entre los quarks y los gluones.

Bosones W y Z: Estos dos tipos de bosones son los responsables de la interacción nuclear débil. Esta interacción a su vez es la responsable de los procesos de decaimiento radioactivo. Ambos tipos de bosones poseen masa y un spin igual a 1. Sin embargo, mientras los bosones W pueden tener carga eléctrica de 1 o -1, los bosones Z carecen de esta propiedad.

Bosón de Higgs: La existencia de este bosón fue propuesta en 1964 por Peter Higgs, Robert Brout, François Englert, Gerald Guralnik, C. R. Hagen y Tom Kibble para darle una explicación al origen de la masa de las partículas. El Bosón de Higgs fue descubierto en el Gran Colisionador de Hadrones (LHC, por sus siglas en inglés) en el año 2012. Se trata de un bosón muy masivo que carece de spin y de carga eléctrica. El Bosón de Higgs genera un campo con el que interactúan las demás partículas elementales y de cuya interacción surge la propiedad de masa.

¿Y la gravedad?

Hemos dicho que los bosones son las partículas portadoras de las interacciones fundamentales. Hasta el momento hablamos del fotón como mediador de la interacción electromagnética, al gluón como portador de la fuerza nuclear fuerte y a los bosones W y Z como responsables de las interacciones nucleares débiles. Sin embargo, no hemos mencionado a la interacción gravitatoria, que junto con las tres anteriores conforma las cuatro interacciones fundamentales de la naturaleza. Entonces, ¿Por qué no hablamos de un bosón responsable del a interacción gravitatoria?

Este problema radica en que la interacción gravitatoria está descrita con un mecanismo muy diferente al de las demás interacciones fundamentales. El electromagnetismo y las fuerzas nucleares fuertes y débiles pueden ser descritas de manera cuántica por medio de la Teoría Cuántica de Campos, es decir, están cuantizadas. Por otro lado, la interacción gravitatoria según la Relatividad General es una consecuencia de la curvatura en el espacio-tiempo que crean los cuerpos masivos y hasta el momento no se ha encontrado un indicio de que la gravedad pueda estar cuantizada. Uno de los deseos actuales de la Física es poder unificar la Teoría Cuántica de Campos con la Relatividad General en una única Teoría del Todo que explique las cuatro interacciones fundamentales.

Con el objetivo de lograr esto se han desarrollado varias hipótesis de gravedad cuántica en donde algunas de estas incorporan un bosón hipotético llamado “gravitón”. Se trataría de un bosón con spin igual a 2, con masa y sin carga eléctrica. A pesar de estos esfuerzos aún falta evidencia de que la Relatividad General y la Teoría Cuántica de Campos puedan coexistir en una única Teoría del Todo.

Por: Ángel Zamora Ramírez. Licenciado en Física egresado de la Universidad de Colima. Maestro en Ciencias en Ingeniería y Física Biomédicas egresado del CINVESTAV. Amante de la divulgación científica.

Trabajo publicado en: Jun., 2023.

Datos para citar en modelo APA: Zamora Ramírez, A. (junio, 2023). Definición de Bosón. Significado.com. Desde https://significado.com/boson/