Las teorías acerca de las partículas elementales están elaboradas a partir de modelos matemáticos que resulta imposible simplificar, pues su comprensión está al alcance de las pocas personas que han tenido la oportunidad y la capacidad intelectual de penetrar a estos niveles en el desarrollo de las matemáticas modernas. El objetivo de estas páginas web es solamente divulgar con la mayor claridad posible los resultados de estos modelos teóricos.
En física de partículas, las partículas elementales de la naturaleza han sido clasificadas en dos tipos: fermiones y bosones.
La denominación "bosón" fue dada en honor al físico indio Satyendra Nath Bose.
La partícula elemental es clasificada como bosón cuando su espín tiene un valor entero: 1, 2, etc. Un espín de 1: una vez el valor h de la constante de Planck, que es:
Las partículas portadoras de fuerza son bosones (espín 1); a excepción del gravitón, que también es un bosón, pero del cual se espera que tenga espín 2.
Los bosones son 6 partículas que son portadoras de las 4 fuerzas de la naturaleza que interactúan en las partículas elementales de la materia..
Hasta ahora ha sido posible detectar 5 de estos bosones:
- fotón γ,
- bosón Z,
- bosón W+,
- bosón W- y
- gluón g.
El sexto bosón, la partícula Higgs, previsto en la teoría no ha sido detectado todavía.
Fotón γ: tiene carga eléctrica 0 y masa 0. Es el cuanto de luz, es portador del electromagnetismo, actúa sobre partículas cargadas eléctricamente y su alcance es ilimitado.
Bosón Z: tiene carga eléctrica 0 y masa de 91 GeV. Es el mediador de la interacción débil, no altera la identidad de las partículas y su alcance es de 10-18metros.
Bosones W: tienen carga eléctrica +1 ó -1 y masa de 80,4 GeV. Son mediadores de la interacción débil, modifican el sabor de las partículas y su alcance es de 10-18metros.
Gluones γ: hay 8 especies de gluones γ. Tienen carga eléctrica 0 y masa de 91 GeV. Son los portadores de la fuerza fuerte, actúan sobre los quarks y otros gluones dando origen a protones, neutrones y formando con ellos los núcleos atómicos. Su alcance es sumamente pequeño, de 10-18metros.
Las partículas compuestas por otras partículas elementales, como los protones, los neutrones o los núcleos atómicos, pueden ser clasificadas ya sea como bosones o como fermiones dependiendo de su espín total. De ahí que muchos núcleos sean clasificados como bosones. Si el número de fermiones que compone una partícula es par, la partícula es clasificada como bosón.
La mayoría de los elementos tienen isótopos que se comportan como fermiones, es el caso del helio-3; o como bosones, el helio-4. El deuterio es también bosón; sin embargo, sus vecinos protio y tritio son fermiones.
Ejemplos de bosones: el núcleo de deuterio, las partículas alfa, los fotones, el bosón W, el bosón Z, los gluones, el bosón de Higgs, el bosón X, el núcleo del deuterio. El desarrollo de máseres y láseres fue posible porque los fotones de la luz son bosones.
Los bosones se caracterizan porque no cumplen el principio de exclusión de Pauli y siguen la estadística de Bose-Einstein; esto hace que presenten un fenómeno llamado condensación de Bose-Einstein.
La funciones de onda cuántica que describe sistemas de bosones es simétrica respecto al intercambio de partículas.
El campo electromagnético, la interacción débil, la fuerza nuclear fuerte y presumiblemente el campo gravitatorio, están asociados a partículas de espín entero. Por tal motivo, en física de altas energías y de partículas se dice que los bosones son los mediadores de las 4 fuerzas.
A los bosones involucrados en dichas interacciones se les denomina bosones gauge, o bosones sin masa (la palabra gauge, se pronuncia “gueish” y significa “estándar de medida”). Estos son:
- los bosones W y Z, para la interacción débil;
- los gluones, para la interacción fuerte;
- los fotones, para la fuerza electromagnética;
- y el teórico gravitón, para la fuerza gravitatoria.
Los fermiones están obligados a cumplir el principio 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 ocupar estados cuánticos idénticos. El resultado de esto es que el espectro de un gas de fotones a cierta temperatura de equilibrio posee un espectro de Planck (ejemplos de ello son la radiación del cuerpo negro o la radiación del fondo cósmico de microondas, testigo que nos remonta al universo temprano).
El trabajo con láseres, las propiedas de superfluido del helio-4 y la reciente formación del condensado de Bose-Einstein son todos consecuencia de la estadística de los bosones.
Las diferencias entre las estadísticas bosónica y fermiónica es sólo apreciable en grandes densidades, que es cuando las funciones de onda se superponen. A bajas densidades ambos tipos de estadísticas se aproximan a la estadística de Maxwell-Boltzmann, donde ambos tipos de partículas se comportan clásicamente.