Bosón

En física de partículas , un bosón ( / ˈ b oʊ z ɒ n / ^{[ 1 ]} / ˈ b oʊ s ɒ n / ^{[ 2 ]} ) es una partícula subatómica cuyo número cuántico de espín tiene un valor entero (0, 1, 2, ...). La clase de bosones es una de las dos clases fundamentales de partículas subatómicas, siendo la otra los fermiones , que tienen un espín semi-entero impar (1/2, 3/2, 5/2, ...). Toda partícula subatómica observada es un bosón o un fermión. Paul Dirac acuñó el término bosón para clasificar las partículas fundamentales que obedecen la estadística de Bose-Einstein , el marco cuántico desarrollado por Satyendra Nath Bose .

Algunos bosones son partículas elementales que desempeñan un papel especial en la física de partículas, distinto del de los fermiones (que a veces se describen como los constituyentes de la "materia ordinaria" ). Ciertos bosones elementales (por ejemplo, los gluones ) actúan como portadores de fuerza , dando lugar a fuerzas entre otras partículas, mientras que uno de ellos (el bosón de Higgs ) contribuye al fenómeno de la masa . Otros bosones, como los mesones , son partículas compuestas formadas por constituyentes más pequeños.

Fuera del ámbito de la física de partículas, los bosones compuestos idénticos se comportan a altas densidades o bajas temperaturas de una manera característica descrita por la estadística de Bose-Einstein : por ejemplo, un gas de átomos de helio-4 se convierte en un superfluido a temperaturas cercanas al cero absoluto. De manera similar, la superconductividad surge porque algunas cuasipartículas , como los pares de Cooper , se comportan de esta manera característica.

El término bosón fue acuñado por Paul Dirac ^{[ 3 ] [ 4 ]} para clasificar las partículas fundamentales que obedecen la estadística de Bose-Einstein , un marco cuántico desarrollado por el físico indio Satyendra Nath Bose . ^{[ 5 ]} Mientras ejercía como lector (más tarde profesor ) en la Universidad de Dhaka en Bengala (ahora en Bangladesh ), ^{[ 6 ]} Bose logró un avance fundamental: al tratar a los fotones como partículas idénticas e indistinguibles, derivó de forma independiente la ley de Planck sin recurrir a la física clásica. ^{[ 7 ]} Envió este manuscrito fundamental a Albert Einstein , cuya posterior traducción y aprobación del trabajo condujeron al desarrollo formal de la estadística y a la predicción teórica del condensado de Bose-Einstein . ^{[ 8 ]}

Todas las partículas elementales observadas son bosones (con espín entero) o fermiones (con espín semi-entero impar). ^{[ 9 ]} Mientras que las partículas elementales que componen la materia ordinaria ( leptones y quarks ) son fermiones, los bosones elementales ocupan un papel especial en la física de partículas. Actúan como portadores de fuerza que dan lugar a fuerzas entre otras partículas, o en un caso dan lugar al fenómeno de la masa .

Según el Modelo Estándar de la Física de Partículas, existen cinco bosones elementales:

• Un bosón escalar (espín = 0)
  • H ⁰Bosón de Higgs : la partícula que contribuye al fenómeno de la masa a través del mecanismo de Higgs.
• Cuatro bosones vectoriales (espín = 1) que actúan como portadores de fuerza . Estos son los bosones de gauge :
  • Fotón γ : portador de la fuerza delcampo electromagnético.
  • gluones g (ocho tipos diferentes): portadores de fuerza que median la fuerza fuerte.
  • Bosón débil neutro Z : el portador de fuerza que media la fuerza débil.
  • W ^±bosones débiles cargados (dos tipos) – también portadores de fuerza que median la fuerza débil

Se ha hipotetizado que un bosón tensorial de segundo orden (espín = 2) llamado gravitón (G) es el portador de la fuerza de la gravedad , pero hasta ahora todos los intentos de incorporar la gravedad al Modelo Estándar han fracasado. ^{[ a ]}

Las partículas compuestas (como los hadrones , los núcleos y los átomos ) pueden ser bosones o fermiones dependiendo de sus constituyentes. Dado que los bosones tienen espín entero y los fermiones espín semi-entero impar, cualquier partícula compuesta formada por un número par de fermiones es un bosón (por ejemplo, 1/2 + 1/2 + 1/2 + 1/2 = 2 para los tres quarks y un electrón en un átomo de hidrógeno).

Los bosones compuestos incluyen:

• Todos los mesones de cada tipo ^{[ 10 ]}
• Núcleos estables con números de masa pares como el deuterio , el helio-4 (la partícula alfa ), ^{[ 11 ]} el carbono-12 , el plomo-208 y muchos otros. ^{[ b ]}

Como partículas cuánticas , el comportamiento de múltiples bosones indistinguibles a altas densidades se describe mediante la estadística de Bose-Einstein. Una característica que cobra importancia en la superfluidez y otras aplicaciones de los condensados ​​de Bose-Einstein es que no existe restricción alguna sobre el número de bosones que pueden ocupar el mismo estado cuántico . En consecuencia, cuando, por ejemplo, un gas de átomos de helio-4 se enfría a temperaturas muy cercanas al cero absoluto y la energía cinética de las partículas se vuelve despreciable, se condensa en un estado de baja energía y se convierte en un superfluido .

Otros ejemplos en sistemas de materia condensada incluyen pares de Cooper en superconductores y excitones en semiconductores. ^{[ 12 ]}

Se observa que ciertas cuasipartículas se comportan como bosones y siguen la estadística de Bose-Einstein , incluyendo pares de Cooper, plasmones y fonones . ^{[ 13 ] : 130}

• Anyon – Tipo de cuasipartícula bidimensional 
• Gas de Bose – Estado de la materia de muchos bosones 
• Paraestadística – Noción en mecánica estadística