Che cos'è un bosone?

Nella fisica delle particelle, a Higgs è un tipo di particella che obbedisce alle regole delle statistiche di Bose-Einstein. Questi bosoni hanno anche a spin quantico con contiene un valore intero, come 0, 1, -1, -2, 2, ecc. (In confronto, ci sono altri tipi di particelle, chiamate fermioni, che hanno una rotazione di mezzo intero, come 1/2, -1/2, -3/2 e così via.)

Cosa c'è di così speciale in un bosone?

I bosoni sono talvolta chiamati particelle di forza, perché sono i bosoni che controllano l'interazione delle forze fisiche, come l'elettromagnetismo e forse anche la gravità stessa.

Il nome bosone deriva dal cognome del fisico indiano Satyendra Nath Bose, un brillante fisico dei primi del Novecento che ha lavorato con Albert Einstein per sviluppare un metodo di analisi chiamato statistica di Bose-Einstein. Nel tentativo di comprendere appieno la legge di Planck (l'equazione di equilibrio termodinamico che è emersa dal lavoro di Max Planck sul problema delle radiazioni del corpo nero), Bose ha inizialmente proposto il metodo in un documento del 1924 cercando di analizzare il comportamento dei fotoni. Mandò il documento a Einstein, che fu in grado di pubblicarlo ... e poi continuò ad estendere il ragionamento di Bose oltre i semplici fotoni, ma anche ad applicare alle particelle di materia.

Uno degli effetti più drammatici delle statistiche di Bose-Einstein è la previsione che i bosoni possono sovrapporsi e coesistere con altri bosoni. I fermioni, d'altra parte, non possono farlo, perché seguono il principio di esclusione di Pauli (i chimici si concentrano principalmente sul modo in cui il principio di esclusione di Pauli influisce sul comportamento degli elettroni in orbita attorno a un nucleo atomico). Per questo motivo è possibile che i fotoni diventano laser e parte della materia è in grado di formare lo stato esotico di un condensato di Bose-Einstein.

Bosoni fondamentali

Secondo il modello standard della fisica quantistica, ci sono un certo numero di bosoni fondamentali, che non sono costituiti da particelle più piccole. Ciò include i bosoni di gauge di base, le particelle che mediano le forze fondamentali della fisica (ad eccezione della gravità, a cui arriveremo tra un momento). Questi bosoni a quattro calibri hanno spin 1 e sono stati tutti osservati sperimentalmente:

• Fotone - Conosciuta come la particella di luce, i fotoni trasportano tutta l'energia elettromagnetica e fungono da bosone di gauge che media la forza delle interazioni elettromagnetiche.
• gluone - I gluoni mediano le interazioni della forte forza nucleare, che lega i quark per formare protoni e neutroni e tiene insieme i protoni e i neutroni all'interno del nucleo di un atomo.
• W Boson - Uno dei due bosoni di scartamento coinvolti nella mediazione della debole forza nucleare.
• Z Boson - Uno dei due bosoni di scartamento coinvolti nella mediazione della debole forza nucleare.

Oltre a quanto sopra, ci sono altri bosoni fondamentali previsti, ma senza una chiara conferma sperimentale (ancora):

• Bosone di Higgs - Secondo il modello standard, il bosone di Higgs è la particella che dà origine a tutta la massa. Il 4 luglio 2012, gli scienziati del Large Hadron Collider hanno annunciato di avere buone ragioni per credere di aver trovato prove del Bosone di Higgs. Ulteriori ricerche sono in corso nel tentativo di ottenere informazioni migliori sulle proprietà esatte della particella. Si prevede che la particella abbia un valore di spin quantico pari a 0, motivo per cui è classificata come un bosone.
• Graviton - Il gravitone è una particella teorica che non è stata ancora rilevata sperimentalmente. Poiché le altre forze fondamentali - elettromagnetismo, forza nucleare forte e forza nucleare debole - sono tutte spiegate in termini di un bosone di gauge che media la forza, era naturale tentare di usare lo stesso meccanismo per spiegare la gravità. La particella teorica risultante è il gravitone, che si prevede abbia un valore di spin quantico di 2.
• Superpartner Bosonici - Secondo la teoria della supersimmetria, ogni fermione avrebbe una controparte bosonica finora sconosciuta. Poiché ci sono 12 fermioni fondamentali, ciò suggerirebbe che - se la supersimmetria è vera - ci sono altri 12 bosoni fondamentali che non sono stati ancora rilevati, presumibilmente perché sono altamente instabili e si sono decomposti in altre forme.

Bosoni compositi

Alcuni bosoni si formano quando due o più particelle si uniscono per creare una particella di spin intero, come ad esempio:

• mesoni - I mesoni si formano quando due quark si uniscono. Poiché i quark sono fermioni e hanno spin a mezzo intero, se due di essi sono legati insieme, allora lo spin della particella risultante (che è la somma dei singoli spin) sarebbe un numero intero, rendendolo un bosone.
• Atomo di elio-4 - Un atomo di elio-4 contiene 2 protoni, 2 neutroni e 2 elettroni ... e se sommi tutti questi giri, finirai con un numero intero ogni volta. L'elio-4 è particolarmente degno di nota perché diventa un superfluido quando viene raffreddato a temperature bassissime, rendendolo un brillante esempio delle statistiche di Bose-Einstein in azione.

Se stai seguendo la matematica, qualsiasi particella composita che contiene un numero pari di fermioni sarà un bosone, perché un numero pari di mezze numeri interi si sommerà sempre a un numero intero.