Descubriendo los secretos de los bosones: ¿qué son realmente y cómo interactúan con el universo?

Recientemente conocíamos el fallecimiento de Peter Higgs, el ingenioso físico que descubrió la partícula conocida como el bosón de Higgs. Desde su descubrimiento, se ha hablado largo y tendido sobre esta partícula, sobre cómo es capaz de dar masa al resto de partículas con su interacción y cómo ha sido la última pieza del rompecabezas del Modelo Estándar de la física de partículas. Y aunque se habla mucho de Higgs, de lo que predijo y de lo que supone su bosón no se habla tanto de esa primera parte de qué es un bosón.

Fermiones y bosones

Las partículas subatómicas vienen en dos grandes tipos: fermiones y bosones. Existen otras formas de clasificarlas, en función de su naturaleza o su composición interna, pero esta clasificación es, si cabe, todavía más fundamental. La diferencia entre fermiones y bosones está en el valor de su espín. Esta es una propiedad puramente cuántica de las partículas, relacionada con su momento angular, pero no tiene nada que ver con ningún movimiento de rotación (como sí tienen que ver el resto de componentes del momento angular). El espín es tan fundamental en la definición de una partícula como su masa o su carga eléctrica. El espín de una partícula, sea fundamental o compuesta, solo puede tomar determinados valores, múltiplos de la conocida como constante de Planck reducida. Concretamente puede tomar valores 0, ½, 1, 3/2, 2, etc veces dicha constante. Los fermiones serán aquellas partículas con un espín semientero, es decir, un espín que sea ½, 3/2, 5/2, etc veces la constante de Planck. Los bosones en cambio serán aquellas partículas con un espín entero, que podrá tomar valores como 0, 1, 2, etc veces este valor.

Entre los fermiones tenemos a los quarks, al electrón o al neutrino, pero también al protón y al neutrón, que son partículas compuestas por la combinación de tres quarks. Entre los bosones tenemos, por supuesto, al predicho por Peter Higgs, pero también al fotón o al gluón. Concretamente, el bosón de Higgs tendría un espín igual a 0, por lo que decimos que se trata de un bosón escalar. El gluón y el fotón, al igual que los bosones responsables de la interacción débil, tienen espín igual a 1 y son bosones vectoriales. El gravitón, el bosón hipotético que mediaría la interacción gravitatoria, tendría espín igual a 2.

Espín y estadística

Esta distinción no sirve únicamente para organizar las diferentes partículas en cajas mentales, sino que tiene una razón física detrás, pues el comportamiento de bosones y fermiones, especialmente cuando aparecen en grandes cantidades, es muy diferente. Este comportamiento decimos que viene dictado por la “estadística” de cada tipo de partícula. La estadística de las partículas nos dice cómo cambia el sistema del que forman parte cuando intercambiamos dos partículas cualesquiera idénticas entre sí. En el caso de los bosones, cuando intercambios dos de ellos, a la función que describe el sistema no le pasa nada, no cambia. Para los fermiones sin embargo no es así. Para estas partículas, la función adquiere un signo menos, es decir una fase. Esto significa que dos fermiones no pueden ocupar simultáneamente el mismo estado cuántico porque si lo hicieran no tendría sentido que apareciera esa fase al intercambiarlas. Esto último es equivalente a decir que los fermiones obedecen el principio de exclusión de Pauli, que dice precisamente eso, que dos partículas no podrán ocupar el mismo estado cuántico. Los bosones no cumplen este principio y por tanto sí pueden ocupar el mismo estado.

La consecuencia de esto es que los fermiones pueden formar “materia” mientras que los bosones no. Si las partículas que componen la materia pudieran agruparse todas en un mismo estado cuántico, sería imposible tener objetos voluminosos como los átomos y moléculas que componen toda la materia que hay en la Tierra. Este principio de exclusión de Pauli impide que los protones y neutrones del núcleo se apretujen más de lo que ya están e impide a todos los electrones de un átomo ocupar el orbital de menor energía. Esto a su vez permite la existencia de los átomos y de la química, a partir de la cual surge la biología. Resulta por tanto evidente que este principio de exclusión es muy importante.

El mundo macroscópico

Estas propiedades de los bosones no solo resultan importantes en procesos subatómicos o de física de partículas. La superconductividad por ejemplo está relacionada con esta propiedad. En un material superconductor se forman partículas que actúan como bosones. Estas partículas son en verdad pares de electrones, conocidos como “pares de Cooper”, que combinan sus espines para formar entidades con espín 0 o 1. Estos pares de electrones por tanto obedecen la estadística correspondiente a los bosones, pudiendo ocupar todos ellos el mismo nivel cuántico.

Otra manifestación de estos conceptos en el mundo macroscópico se da en la astrofísica. Cuando las estrellas no demasiado masivas, como nuestro Sol, llegan al final de sus días, lo que dejan atrás es un denso núcleo, que recibe el nombre de enana blanca. Estas enanas blancas pueden acumular una masa comparable a la del Sol en un tamaño similar a la de la Tierra. Si no sucumben a su propia gravedad es precisamente porque el principio de exclusión de Pauli impide a los electrones ocupar los mismos niveles, lo cual crea una presión que contrarresta a la gravedad. Cuando la masa de la enana blanca crece demasiado, los electrones y protones adquieren tanta energía, que pueden fusionarse para formar neutrones, dando lugar a una estrella de neutrones. En este caso ocurre algo similar: el principio de exclusión de Pauli impide otra vez a los neutrones seguir comprimiéndose. Si la masa aumenta todavía más, la estrella de neutrones colapsa para formar un agujero negro. Tal vez en el interior del horizonte de sucesos resida un objeto más compacto que una estrella de neutrones, formado por fermiones todavía más masivos, incapaces de comprimirse más por el principio de exclusión.

Referencias: