Bosó

Per a altres significats, vegeu «Bosó (desambiguació)».

Bosó

Classificació	partícula quàntica
Interaccions	gravetat
Antipartícula	bosó
Espín	1
Supercompanya	bosí
Epònim	Satyendra Nath Bose

Els bosons són partícules d'espín enter que satisfan l'estadística de Bose-Einstein.

Els bosons, segons el model estàndard de la física, són les partícules transmissores de les forces: els fotons per a l'electromagnetisme; els bosons W i Z, per a la força feble; els gluons per a la força nuclear forta. A altes energies, o dit d'una altra manera, a distàncies menors que el diàmetre del protó, l'electromagnetisme, i la força feble són dos aspectes de la força electrofeble. Es considera que el fotó i el gluó no tenen massa.

Totes les partícules elementals són o bosons o fermions, descrites matemàticament per camps bosònics o fermiònics respectivament.

Els bosons, contràriament als fermions, no estan subjectes al principi d'exclusió de Pauli; per tant, un nombre il·limitat de bosons poden ocupar el mateix estat quàntic tots alhora. Això explica per què, a baixes temperatures, els bosons es comporten de manera molt diferent dels fermions; totes les partícules tenen tendència a congregar-se juntes en l'estat quàntic de més baixa energia possible (l'estat fonamental), formant un condensat de Bose-Einstein.

L'estadística de Bose-Einstein va ser introduïda pels fotons el 1924 per Bose, i generalitzada per Einstein per als àtoms el 1925.

Exemples de bosons:

• Fotons, són els intermediaris en la força electromagnètica.
• Bosons W i Z, són els intermediaris en la interacció feble.
• Gluons, són els intermediaris de la interacció forta.
• Àtoms d'heli-4 (bosons compostos).
• Bosons de Higgs.
• Fonons (excitacions col·lectives en sòlids).

Bosons intermediaries o de gauge

Un bosó de gauge o bosó intermediari és una partícula (de fet, un bosó) que actua com a portadora d'una interacció fonamental de la natura. Més específicament, la interacció entre les partícules elementals està descrita per les teories de camps de gauge i s'exerceix mitjançant l'intercanvi de bosons de gauge entre si, usualment com a partícules virtuals.

Fotons

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

Representació d'un fotó als diagrames de Feynman.

Els fotons formen la radiació electromagnètica (ones de ràdio, llum, raigs ultraviolats, raigs X, raigs gamma…), són emesos i absorbits per la matèria i transporten la interacció electromagnètica. El fotó té espín igual a 1, i, per tant, és un bosó; com que la seva massa en repòs és nul·la, l’helicitat del fotó només pot ser 1 o –1, però no 0. Hom el representa pel símbol γ.

Els fotons foren proposats pel físic alemany Albert Einstein (1879-1955), l’any 1905, per donar una explicació satisfactòria a la propagació de la llum en fenòmens com l’efecte fotoelèctric. Amb la realització d’experiències de xoc entre electrons i radiació lluminosa (efecte Compton) hom ha pogut constatar el caràcter de partícula que presenta a vegades el fotó, la qual cosa permet d’associar-li un moment lineal hν/c i una energia hv (essent h la constant de Planck, v la freqüència de la radiació i c la velocitat de la llum al buit).

Bosons W i Z

Representació del bosó W⁺ als diagrames de Feynman.

Hi ha tres bosons vectorials intermediaris que transmeten la interacció feble: el bosó W⁺, amb una càrrega elèctrica de +e, això és 1,602 × 10^–19 C; el bosó W^–, antipartícula de l'anterior i amb càrrega –e (–1,602 × 10^–19 C), i el bosó Z⁰, que és elèctricament neutre. La massa del bosó W és de 80,399 (23) GeV/c² i la del bosó Z, de 98,187 6 (21) GeV/c². La massa del protó és de 0,938 GeV/c², per tant, els bosons W tenen unes masses vuitanta-sis vegades superiors a la del protó, i el bosó Z cent-cinc vegades superior. Aquesta característica és responsable de l'extremadament curta distància de la força feble, la qual té una influència confinada a una distància d'aproximadament 10^–17 metres perquè, segons estableix la mecànica quàntica, la distància d'acció d'una força determinada tendeix a ser inversament proporcional a la massa de la partícula que la transmet.

L'existència dels bosons vectorials intermediaris i les seves propietats foren predites a finals dels anys seixanta pels físics Sheldon Lee Glashow (1932), Steven Weinberg (1933-2021) i Abdus Salam (1926-1996). Els seus esforços teòrics, coneguts actualment com a teoria electrofeble, expliquen que la força electromagnètica i la força feble, considerades durant molt de temps com entitats separades, són en realitat manifestacions de la mateixa interacció fonamental. Tal com la força electromagnètica es transmet mitjançant partícules portadores conegudes com a fotons, la força feble és intercanviada a través dels tres tipus de bosons vectorials intermediaris W⁺, W^– i Z⁰.

Desintegració β^–. Un neutró format pels quarks udd, a la part inferior (temps inicial), es transforma en un protó format pels quarks udu i un bosó W^–, el qual es desintegra en un electró e^–, que conserva la càrrega negativa, i un antineutrí electrònic ${\overline {\nu }}_{e}$.

En processos de baixa energia com la desintegració β, les partícules pesants W es poden intercanviar només perquè el principi d'incertesa de Heisenberg permet fluctuacions en massa-energia durant intervals de temps prou curts. Aquestes partícules W no es poden observar directament. No obstant això, és possible produir partícules W detectables en experiments amb acceleradors de partícules que involucren col·lisions entre partícules subatòmiques, sempre que l'energia de la col·lisió sigui prou alta. Una partícula W d'aquesta mena decau després en un leptó carregat (per exemple, un electró, un muó o una tau) i un neutrí associat, o en un quark i un antiquark de tipus diferent (o «sabor») però amb una càrrega total de +1 o –1.

El 1983, dos experiments a l'Organització Europea per a la Recerca Nuclear (CERN) a Ginebra detectaren característiques que s'aproximaven estretament a les prediccions per a la formació i desintegració de les partícules W i Z. Els seus resultats constituïen la primera evidència directa dels bosons febles i proporcionaven un fort suport per a la teoria electrofeble. Els bosons Z i W foren observats posteriorment de manera més directa el 1983 en experiments de col·lisions protó-antiprotó d'alta energia realitzats al CERN. El físic del CERN Carlo Rubbia (1934) i l'enginyer Simon van der Meer (1925-2011) van rebre el Premi Nobel de Física del 1984 en reconeixement del seu paper en la descoberta de les partícules W i Z.

Les mesures dutes a terme al CERN mostren que quan el bosó Z es desintegra en parelles neutrí-antineutrí, produeix únicament tres tipus de neutrins lleugers. Aquesta mesura és d'importància fonamental, ja que indica que només hi ha tres conjunts de leptons i quarks, els elements bàsics de la matèria.

Gluons

Representació d'un gluó als diagrames de Feynman.

Diagrama de Feynman que explica la interacció entre un quark verd i un de blau que canvien de color com a conseqüència de l'intercanvi d'un gluó verd-antiblau.

Els gluons són bosons de gauge o intermediaris de massa nul·la, càrrega elèctrica nul·la i espín 1, se simbolitzen com g. Transmeten la interacció nuclear forta entre quarks. Així els quarks interactuen emetent i absorbint gluons, de la mateixa manera que les partícules carregades elèctricament interactuen mitjançant l'emissió i l'absorció de fotons. Els quarks poden tenir tres diferents càrregues de color (blau, verd i roig) i en emetre o absorbir un gluó canvien de càrrega de color. Tanmateix, els gluons són més complexos que els fotons. Aquests no tenen càrrega elèctrica, però els gluons tenen càrrega de color, la qual cosa significa que interaccionen entre ells. Els gluons es presenten en vuit possibles estats de càrrega de color (verd-antiblau, blau-antiroig...) i, per això, poden acoblar-se a les càrregues de color de quarks i antiquarks. En tenir càrrega de color, els gluons no es poden aïllar i participen en els processos d'interacció nuclear forta acoblant-se també entre si, a més de ser els intermediaris de la interacció.

A diferència d'altres forces conegudes, la interacció entre quarks no disminueix amb la distància. Aquest comportament implica que és necessària una enorme quantitat d'energia per separar dos quarks, per exemple, el parell quark-antiquark que forma un mesó. Es crea una corda de gluons entre ells fins al punt que, en arribar a cert moment, és energèticament favorable la creació d'un nou parell quark-antiquark, de manera que l'estat final és de dos mesons, en lloc d'aconseguir quarks lliures. Aquest comportament és el que es denomina confinament dels quarks i fa que siguin inobservables directament.

Teòricament poden existir les anomedaes bolles de gluons, que són partícules formades per dos o més gluons, sense presència de quarks. Tot i que existeixen alguns candidats a ser boles de gluons, fins al moment actual no s'han identificat experimentalment amb certesa, ja que els seus nombres quàntics coincideixen amb els dels mesons ordinaris.

El mot gluon ‘gluó’, fou encunyat el 1962 pel físic teòric estatunidenc Murray Gell-Mann (1929-2019) i prové de l'anglès glue, ‘cola’. El 1979 es confirmà l'existència dels gluons mitjançant l'observació de la radiació dels gluons pels quarks en estudis de col·lisions de partícules d'alta energia al laboratori nacional alemany, el Deutsches Elektronen-Synchrotron (DESY), a Hamburg.

Gravitons

Els gravitons són partícules hipotètiques que transmet la interacció gravitacional en el marc de la teoria quàntica de camps, se simbolitzen per G. Encara que no han estat descoberts es pot deduir que la seva massa ha de ser nul·la, ja que la gravitació és una força de llarg abast. La seva càrrega elèctrica ha de ser també nul·la i el seu espín, enter (són, per tant, bosons). El nom graviton ‘gravitó’ fou proposat el 1934 per dos físics teòrics russos, D.I. Blokhintsev (1908-1979) i F.M. Gal'perin.

Segons la teoria de la relativitat general d'Albert Einstein, la gravetat és una propietat inherent de l'espai-temps que es manifesta com una curvatura causada per la presència de massa i energia. No obstant això, en la teoria quàntica, que descriu les interaccions a escala de partícules elementals, cal postular una partícula portadora de la força gravitatòria, similar als altres camps de forces coneguts, com l'electromagnetisme (amb el fotó) o les forces nuclears (amb els bosons W i Z). Té un espín igual a 2 unitats, i això el diferencia dels altres bosons coneguts, que tenen spins diferents (0 o 1). Ja que sembla que els gravitons serien idèntics a les seves antipartícules, la noció d'antigravetat és qüestionable.

Una característica comuna en diverses alternatives teòriques a la teoria de la relativitat general és que el gravitó té una massa diferent de zero. Aquestes teories es poden descriure com a teories de gravetat massives. Malgrat les nombroses complexitats teòriques d'aquestes teories, des d'un punt de vista fenomenològic les implicacions de la gravetat massiva s'han utilitzat àmpliament per establir límits per a la massa del gravitó. Una de les implicacions genèriques de dotar de massa al gravitó és que el potencial gravitatori disminuirà de manera similar a una caiguda del tipus potencial de Yukawa. Aprofitant aquesta característica de les teories de gravetat massives s'ha investigat la massa del gravitó fent servir els objectes més grans lligats gravitacionalment, és a dir, els cúmuls de galàxies. Les observacions fetes des del 2016 han establert el límit més estricte per a la massa del gravitó, la qual és inferior a 6 × 10⁻³² eV/c².

Bosó de Higgs

El bosó de Higgs o partícula de Higgs és una partícula elemental proposada dins del model estàndard de la física de partícules. Aquesta partícula té una importància fonamental, ja que la seva existència confirma l'existència del camp de Higgs que permet donar una explicació al fet que algunes partícules, com ara el fotó, no tinguin massa i d'altres, com els bosons W i Z, sí que en tinguin. El nom d'aquesta partícula es deu al fet que es tracta d'un bosó i al nom d'un dels seus proponents, Peter Higgs.

Un diagrama de Feynman d'una manera en què es pot produir un bosó de Higgs en un col·lisionador de partícules. Aquí, dos gluons fusionen en un quark cim/anticim, que després es combina per a fer un Higgs neutre

El bosó de Higgs és un quàntum d'un dels components del camp de Higgs. En un espai buit, el camp de Higgs adquireix un valor diferent de zero, que roman constant en el temps i en tot lloc de l'univers. El valor esperat del buit (VEV) d'un camp de Higgs és constant i igual a 246 GeV. L'existència d'un VeV no zero té una importància fonamental: dona una massa a cada partícula elemental, incloent-hi el bosó de Higgs. En particular, l'adquisició espontània d'un VeV diferent de zero trenca la simetria gaugiana electrofeble, un fenomen conegut com el mecanisme de Higgs. Aquest és el simple mecanisme capaç de donar massa a un bosó de gauge, que és també compatible amb la teoria de gauge.

En el model estàndard, un camp de Higgs consisteix en dos camps neutrals i dos de carregats. Els dos components carregats i un del neutre són bosons de Goldstone, que no tenen massa i es converteixen, respectivament, en els components longitudinals de tercera polarització dels bosons W i Z (massius). El quàntic dels restants components neutrals corresponen als bosons massius de Higgs. Un camp de Higgs és un camp escalar, el bosó de Higgs té un espín zero i no té moment angular intrínsec. El bosó de Higgs és també la seva pròpia antipartícula i té simetria CP.

El model estàndard no prediu el valor de la massa del bosó de Higgs. Si la massa d'aquest bosó és entre 115 i 180 GeV, llavors el model estàndard pot ser vàlid a totes les escales energètiques fins a l'escala de Planck (10¹⁶ TeV). Moltes teories estan a l'expectativa d'una nova física més enllà del model estàndard, que podria sorgir a escales de TeV, basades en les manques del model estàndard. L'escala més alta possible de massa permesa en el bosó de Higgs (o en alguna ruptura espontània de simetria electrofeble) és d'un TeV; després d'aquest punt, el model estàndard es torna inconsistent sense un mecanisme d'aquest tipus perquè la unicitat és violada en certs processos de dispersió. Molts models de supersimetria prediuen que el bosó de Higgs tindrà una massa només lleugerament per sobre dels actuals límits experimentals, a uns 120 GeV o menys.

La funció de distribució de Bose-Einstein

La funció de distribució f(E) és la probabilitat que una partícula es trobi en un estat d'energia E. Per al cas de partícules que obeeixen l'estadística de Bose-Einstein és:

$f_{BE}(E)={\frac {1}{A\exp(E/k_{B}T)-1}}$

on:

E és l'energia,

k_B és la constant de Boltzmann,

T és la temperatura absoluta, i

A és una constant de normalització tal que $\int _{0}^{\infty }dEf(E)=N$, i és N el nombre total de partícules del sistema.

Vegeu també

• Condensat de Bose-Einstein.
• Estadística de Bose-Einstein.
• Fermió.
• Estadística de Fermi-Dirac.
• Mecànica quàntica.