Los 6 tipos de bosones (y sus características)

Todo lo que sucede en el Universo tiene su origen en el mundo subatómico. Si queremos comprender la naturaleza elemental de todo, debemos sumergirnos en los misterios de la mecánica cuántica. Y en lo que se refiere a la comprensión fundamental de las cuatro fuerzas del Cosmos, no puede haber una excepción. Todo debe poder explicarse desde la perspectiva subatómica.

La gravedad, el electromagnetismo, la fuerza nuclear débil y la fuerza nuclear fuerte. Estas son las cuatro fuerzas fundamentales del Universo. Son el pilar del Cosmos. Todo lo que ocurre en él responde a la aplicación de alguna de estas fuerzas sobre la materia que nos rodea. Son las fuerzas que lo controlan todo.

Y en este contexto, uno de los mayores logros de la historia de la física llegó cuando, en la segunda mitad del siglo XX, se terminó de desarrollar el modelo estándar de partículas. Un marco teórico donde se describían no solo las partículas que daban forma a la materia, sino las que, a través de las interacciones que realizaban en el mundo cuántico, permitían explicar el origen de las cuatro fuerzas elementales.

Estamos hablando de los bosones. Uno de los grupos en los que se divide el modelo estándar (el otro es el de los fermiones) y donde se incluyen las partículas que ejercen las fuerzas fundamentales. No componen la materia pero sí hacen posible que las interacciones existan. Y en el artículo de hoy nos sumergiremos en sus misterios.

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¿Qué son los bosones?

Los bosones son las partículas subatómicas elementales que ejercen las fuerzas fundamentales. Son, dicho de otro modo, los portadores de las cuatro interacciones fundamentales: la gravedad, el electromagnetismo, la fuerza nuclear débil y la fuerza nuclear fuerte. No componen la materia pero sí que permite que surjan, desde el mundo cuántico, las fuerzas que rigen el comportamiento del Universo.

Como partículas subatómicas que son, los bosones son unidades indivisibles que se encuentran dentro del modelo estándar de la física de partículas. Un marco teórico donde se divide a las partículas en fermiones o bosones dependiendo de si conforman la masa o de si hacen posible la existencia de las interacciones elementales, respectivamente.

Las partículas subatómicas con las que estamos más familiarizados, como los quarks (que dan lugar a protones y neutrones) y los electrones son fermiones, no bosones. Pero es en estas partículas bosónicas que se esconde la naturaleza cuántica tanto de las fuerzas fundamentales como de la masa de las otras partículas subatómicas.

A diferencia de los fermiones, los bosones no cumplen con el principio de exclusión de Pauli, por lo que, dentro de un mismo sistema cuántico, dos bosones pueden tener todos sus números cuánticos idénticos. Es decir, dos bosones pueden tener el mismo estado cuántico, algo que no sucede con las partículas fermiónicas que constituyen, por ejemplo, los átomos de la materia.

Sea como sea, los bosones son el pilar de las fuerzas universales, siendo responsables de las interacciones que culminan con la existencia de la gravedad (aunque tendremos que hacer, más adelante, una puntualización), del electromagnetismo, de la fuerza nuclear débil, de la fuerza nuclear fuerte y de la masa de la materia.

Para saber más: “Las 4 fuerzas fundamentales del Universo (y sus características)”

¿Cómo se clasifican los bosones?

Como hemos visto, los bosones son las partículas subatómicas que no constituyen los bloques elementales de la materia pero que sí que explican la existencia cuántica de las fuerzas fundamentales del Universo. Antes de empezar, hay que dejar claro que hay dos grupos principales de bosones: los de Gauge (responsables de las cuatro fuerzas) y los escalares (por ahora, solo se incluye el bosón de Higgs). Dicho esto, empecemos.

1. Fotones

Los fotones son un tipo de bosones sin masa y sin carga eléctrica. Son las partículas subatómicas dentro del grupo de bosones de Gauge responsables de la existencia de la fuerza electromagnética. Los fotones hacen posible que los campos magnéticos existan.

También podemos entender los fotones como “las partículas de la luz”, por lo que, además hacer posible el electromagnetismo, permiten la existencia del espectro de ondas donde se encuentra la luz visible, las microondas, los infrarrojos, los rayos gamma, el ultravioleta, etc.

La fuerza electromagnética, que es portada por estos fotones, es la fuerza elemental de interacción que se da entre partículas cargadas eléctricamente de forma positiva o negativa. Todas las partículas con carga eléctrica experimentan esta fuerza, que se manifiesta con una atracción (si son de distinta carga) o con una repulsión (si son de misma carga).

El magnetismo y la electricidad quedan unidas a través de esta fuerza mediada por los fotones y que es responsable de infinidad de sucesos. Desde que los electrones orbiten alrededor del átomo (los protones tienen carga positiva y los electrones, carga negativa) hasta los rayos de la tormenta. Los fotones hacen posible que el electromagnetismo exista.

2. Gluones

Los gluones son un tipo de bosones sin masa y sin carga eléctrica, pero sí con carga de color (un tipo de simetría de gauge), por lo que no solo transmite una fuerza, sino que también la experimenta ella misma.

Sea como sea, lo importante es que los gluones son responsables de la fuerza nuclear fuerte. Los gluones hacen posible la existencia de la que es la fuerza más fuerte de todas. Valga la redundancia. Y es una fuerza que permite que la materia exista.

Los gluones son las partículas portadoras de la interacción que constituye el “pegamento” de los átomos. La fuerza nuclear fuerte permite que los protones y los neutrones se mantengan unidos (a través de la interacción más fuerte del Universo), manteniendo así la integridad del núcleo atómico.

Estas partículas gluónicas transmiten una fuerza 100 veces más intensa que la que transmiten los fotones (la electromagnética) y que es de menor alcance, pero el suficiente como para evitar que los protones, que tienen carga positiva, se repelan entre ellos. Los gluones consiguen que, a pesar de las repulsiones electromagnéticas, los protones y los neutrones se mantengan enganchados en el núcleo del átomo.

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3. Bosones Z

Los bosones Z son un tipo de bosones muy masivos que, junto a los W, se encargan de mediar la fuerza nuclear débil. A diferencia de los W, los bosones Z son eléctricamente neutros y son algo más masivos que ellos. Aun así, y pese a que aquí los diferenciamos, como contribuyen a la misma fuerza, se suele hablar de ellos de forma conjunta.

La fuerza nuclear débil es aquella que actúa a nivel del núcleo atómico pero recibe este nombre porque es menos intensa que la fuerte que hemos visto antes. Los bosones Z y W son las partículas que hacen posible la existencia de esta fuerza que permite que los protones, los neutrones y los electrones se desintegren en otras partículas subatómicas.

Estos bosones Z y W estimulan una interacción que hace que los neutrinos (un tipo de fermión de la familia de los leptones), al acercarse a un neutrón (una partícula subatómica compuesta por tres quarks, fermiones distintos a los leptones), se convierta en un protón.

De forma más técnica, los bosones Z y W son los portadores de la fuerza que permite la desintegración beta de los neutrones. Estos bosones se trasladan desde el neutrino al neutrón. Ahí está la interacción nuclear débil, pues el neutrón (del núcleo) atrae (de forma menos intensa que en la nuclear) el bosón Z o W del neutrino. Y el neutrino, al perder un bosón, se convierte en un electrón. Y el neutrón, al ganar un bosón, se convierte en un electrón. En esto se basa la fuerza nuclear débil.

4. Bosones W

Los bosones W son un tipo de bosones muy masivos que, al igual que los Z, son responsables de la fuerza nuclear débil. Tienen una masa ligeramente inferior a la de los bosones Z y, a diferencia de estos, no son eléctricamente neutros. Tenemos bosones W de carga positiva (W+) y de carga negativa (W-). Pero, al fin y al cabo, su papel es el mismo que el de los bosones Z, pues son portadores de la misma interacción que acabamos de detallar.

5. Bosón de Higgs

Terminamos con los bosones de gauge y pasamos a hablar del único bosón escalar (con un espín de 0) descubierto hasta la fecha: el famoso bosón de Higgs. El descubrimiento del bosón de Higgs en 2012 fue tan importante porque la detección de esta partícula bosónica fue la prueba de que el campo de Higgs existía.

Es decir, lo importante no fue la partícula en sí (el bosón), sino confirmar la existencia del campo asociado. El campo de Higgs es un campo cuántico, una especie de tela que impregna todo el Universo y que se extiende por todo el espacio, dando lugar a un medio que interactúa con los campos del resto de partículas del modelo estándar, aportándoles masa.

El descubrimiento del bosón de Higgs permitió comprender el origen fundamental de la masa. Es decir, entender de dónde viene la masa de la materia. Y es que la masa sería el resultado de partículas siendo ralentizadas dentro de este océano que constituye el campo de Higgs.

La masa, pues, no es una propiedad intrínseca de la materia. Es una propiedad extrínseca que depende del grado en el que una partícula se vea afectada por el campo de Higgs. Las que tienen más afinidad por este campo, serán las más masivas (como los quarks); mientras que las que tienen menos afinidad, serán las menos masivas. Si un fotón no tiene masa es porque no interactúa con este campo de Higgs.

El bosón de Higgs es una partícula sin espín ni carga eléctrica, con una vida media de un zeptosegundo (la miltrillonésima parte de un segundo) y que pudo ser detectada por excitación del campo de Higgs, algo que se logró gracias al Gran Colisionador de Hadrones, donde se necesitaron tres años de experimentos haciendo colisionar 40 millones de partículas por segundo a una velocidad cercana a la de la luz para perturbar el campo de Higgs y medir la presencia de la que más tarde fue denominada como “La partícula de Dios”. El bosón de Higgs es la partícula inestable que nos permite comprender el origen de la masa de la materia.

6. ¿Gravitón?

Hasta ahora, hemos entendido el origen cuántico, a través de sus partículas mediadoras, de la masa de la materia y de tres de las cuatro fuerzas fundamentales. Solo falta una. La gravedad. Y aquí viene uno de los mayores problemas que está afrontando la física actual. No hemos encontrado el bosón responsable de la interacción gravitatoria.

No sabemos qué partícula es portadora de una fuerza tan débil pero de alcance tan enorme, permitiendo la atracción entre galaxias separadas por millones de años luz. La gravedad no encaja, por ahora, dentro del modelo estándar de partículas. Pero tiene que haber algo que transmita la gravedad. Un bosón que sea mediador de la gravedad.

Por ello, los físicos van en busca de lo que ya ha sido bautizado como gravitón, una hipotética partícula subatómica que permita explicar el origen cuántico de la gravedad y conseguir, por fin, unificar las cuatro fuerzas fundamentales dentro del marco teórico de la mecánica cuántica. Pero por ahora, si existe este gravitón, no somos capaces de encontrarlo.