En la mecánica cuántica , un Higgs ( / b oʊ s ɒ n / , [1] / b oʊ z ɒ n / [2] ) es una partícula que sigue la estadística de Bose-Einstein . Los bosones forman una de las dos clases de partículas elementales , siendo la otra los fermiones . [3] El nombre de bosón fue acuñado por Paul Dirac [4] [5] para conmemorar la contribución de Satyendra Nath Bose , un físico indio y profesor de física enUniversity of Calcuta y University of Dhaka [6] [7] en el desarrollo, con Albert Einstein , de estadísticas de Bose-Einstein, que teoriza las características de las partículas elementales. [8]
Ejemplos de bosones son partículas fundamentales como fotones , gluones y bosones W y Z (los cuatro bosones gauge portadores de fuerza del Modelo Estándar ), el bosón de Higgs recientemente descubierto y el hipotético gravitón de la gravedad cuántica . Algunas partículas compuestas también son bosones, como mesones y núcleos estables de número de masa par como deuterio (con un protón y un neutrón, número de masa atómica = 2), helio-4 y plomo-208 ; [a] así como algunoscuasipartículas (por ejemplo , pares de Cooper , plasmones y fonones ). [9] : 130
Una característica importante de los bosones es que no existe restricción en el número de ellos que ocupan el mismo estado cuántico . El helio-4 ejemplifica esta propiedad cuando se enfría para convertirse en un superfluido . [10] A diferencia de los bosones, dos fermiones idénticos no pueden ocupar el mismo estado cuántico. Mientras que las partículas elementales que componen la materia (es decir, leptones y quarks ) son fermiones, los bosones elementales son portadores de fuerza que funcionan como el "pegamento" que mantiene unida la materia. [11] Esta propiedad es válida para todas las partículas con espín entero (s = 0, 1, 2, etc.) como consecuencia del teorema de estadística de espín. Cuando un gas de partículas de Bose se enfría a temperaturas muy cercanas al cero absoluto , entonces la energía cinética de las partículas disminuye a una cantidad insignificante y se condensan en el estado de nivel de energía más bajo. Este estado se denomina condensado de Bose-Einstein . Esta propiedad es también la explicación de la superfluidez.
Tipos [ editar ]
Los bosones pueden ser elementales , como fotones , o compuestos , como mesones .
Si bien la mayoría de los bosones son partículas compuestas, en el Modelo estándar de física de partículas hay cinco bosones que son elementales:
- el modelo estándar requiere (al menos) un bosón escalar (spin = 0)
- H0 bosón de Higgs
- los cuatro bosones vectoriales (spin = 1) que son los bosones gauge para el modelo estándar :
- γ Fotón
- gramo Gluones (ocho tipos diferentes)
- Z Bosón débil neutro
- W± Bosones débiles cargados (dos tipos)
Puede haber un sexto bosón tensorial (spin = 2), el gravitón (G), que sería el portador de fuerza de la gravedad . Sigue siendo una partícula elemental hipotética ya que todos los intentos hasta ahora de incorporar la gravitación en el Modelo Estándar han fracasado. Si el gravitón existe, debe ser un bosón y posiblemente podría ser un bosón gauge. [B]
Los bosones compuestos, como los átomos de helio-4 , son importantes en la superfluidez y otras aplicaciones de los condensados de Bose-Einstein .
Propiedades [ editar ]
Los bosones se diferencian de los fermiones, que obedecen a las estadísticas de Fermi-Dirac . Dos o más fermiones idénticos no pueden ocupar el mismo estado cuántico (véase el principio de exclusión de Pauli ), y a veces se dice que son los constituyentes de la materia "rígida" ordinaria. A diferencia de estos, las instancias de un bosón no tienen ninguna obstrucción mecánica cuántica para ocupar el mismo estado. Los bosones son a menudo (aunque no necesariamente) partículas portadoras de fuerza , incluidos los bosones compuestos como los mesones. También se dice que los portadores de fuerza son las partículas que transmiten interacciones, o los constituyentes de la radiación .
Las estadísticas de Bose-Einstein implican que, cuando se intercambian dos bosones (de la misma especie), la función de onda del sistema no cambia. [12] Los campos cuánticos de los bosones son campos bosónicos , que obedecen a relaciones canónicas de conmutación .
Las propiedades de los láseres y máseres , el helio-4 superfluido y los condensados de Bose-Einstein son todas consecuencias de las estadísticas de los bosones. Otro resultado es que el espectro de un gas fotónico en equilibrio térmico es un espectro de Planck , un ejemplo del cual es la radiación de cuerpo negro; otro es la radiación térmica del Universo temprano opaco que se ve hoy como radiación de fondo de microondas . Las interacciones entre partículas elementales se denominan interacciones fundamentales . Las interacciones fundamentales de los bosones virtuales con las partículas reales dan como resultado todas las fuerzas que conocemos.
Todas las partículas elementales y compuestas conocidas son bosones o fermiones, dependiendo de su espín: Las partículas con espín medio entero son fermiones; las partículas con espín entero son bosones. En el marco de la mecánica cuántica no relativista , esta es una observación puramente empírica. En la teoría relativista de campos cuánticos, el teorema de la estadística de espín muestra que las partículas de espín medio entero no pueden ser bosones y las partículas de espín entero no pueden ser fermiones. [13]
En sistemas grandes, la diferencia entre las estadísticas bosónicas y fermiónicas solo es aparente en densidades grandes, cuando sus funciones de onda se superponen. A bajas densidades, ambos tipos de estadísticas se aproximan bien por las estadísticas de Maxwell-Boltzmann , que son descritas por la mecánica clásica .
Bosones elementales [ editar ]
| Modelo estándar de física de partículas |
|---|
 |
Todas las partículas elementales observadas son fermiones o bosones. Los bosones elementales observados son casi todos bosones gauge : fotones, bosones W y Z y gluones. La única excepción es el bosón de Higgs , que es un bosón escalar .
- Los fotones son los portadores de fuerza del campo electromagnético .
- Los bosones W y Z son los portadores de fuerza que median la fuerza débil .
- Los gluones son los portadores de fuerza fundamentales que subyacen a la fuerza fuerte .
- Los bosones de Higgs dan masa a los bosones W y Z (y otras partículas) a través del mecanismo de Higgs . Su existencia fue confirmada por el CERN el 14 de marzo de 2013.
Finalmente, muchos enfoques de la gravedad cuántica postulan un portador de fuerza para la gravedad, el gravitón , que es un bosón de espín más o menos dos.
Bosones compuestos [ editar ]
Las partículas compuestas (como hadrones , núcleos y átomos ) pueden ser bosones o fermiones dependiendo de sus constituyentes. Más precisamente, debido a la relación entre el espín y la estadística, una partícula que contiene un número par de fermiones es un bosón, ya que tiene un espín entero.
Los ejemplos incluyen lo siguiente:
- Cualquier mesón, ya que los mesones contienen un quark y un antiquark.
- El núcleo de un átomo de carbono-12 , que contiene 6 protones y 6 neutrones.
- El átomo de helio-4 , que consta de 2 protones, 2 neutrones y 2 electrones; También el átomo de tritio , que consta de 1 protón, 2 neutrones y 1 electrón.
- El núcleo del deuterio, conocido como deuterón , y su antipartícula.
El número de bosones dentro de una partícula compuesta formada por partículas simples unidas con un potencial no tiene ningún efecto sobre si es un bosón o un fermión.
Estados cuánticos [ editar ]
Las estadísticas de Bose-Einstein alientan a bosones idénticos a agruparse en un estado cuántico , pero ningún estado es necesariamente conveniente para él. Aparte de las estadísticas, los bosones pueden interactuar ; por ejemplo, los átomos de helio-4 son rechazados por la fuerza intermolecular en un enfoque muy cercano, y si se plantea la hipótesis de su condensación en un estado espacialmente localizado , las ganancias de las estadísticas no pueden superar un potencial de fuerza prohibitivo. . Es preferible un estado espacialmente deslocalizado (es decir, con bajo | ψ ( x ) |): si la densidad numérica del condensado es aproximadamente la misma que en el estado líquido o sólido ordinario, entonces el potencial repulsivo para elEl condensado de N- partículas en tal estado no puede ser más alto que para un líquido o una red cristalina de las mismas N partículas descritas sin estadísticas cuánticas. Por lo tanto, las estadísticas de Bose-Einstein para una partícula de material no son un mecanismo para eludir las restricciones físicas sobre la densidad de la sustancia correspondiente, y el helio líquido superfluido tiene una densidad comparable a la densidad de la materia líquida ordinaria . Los estados espacialmente deslocalizados también permiten un momento bajo de acuerdo con el principio de incertidumbre , por lo tanto, una energía cinética baja ; esta es la razón por la que la superfluidez y la superconductividad generalmente se observan en bajastemperaturas .
Los fotones no interactúan entre sí y, por lo tanto, no experimentan esta diferencia en los estados en los que se agrupan (ver estado coherente exprimido ).
Ver también [ editar ]
- Anyon : tipo de partícula que ocurre solo en sistemas bidimensionales
- Bose gas - estado de la materia de muchos bosones
- Paraestadística - Noción de mecánica estadística
Notas [ editar ]
- ^ Los nucleidos de número de masa par , que comprenden 153/254 = ~ 60% de todos los nucleidos estables, son bosones, es decir, tienen espín entero. Casi todos (148 de los 153) son nucleidos de protones pares y neutrones pares (EE), que necesariamente tienen espín 0 debido al emparejamiento. Los 5 nucleidos bosónicos estables restantes son nucleidos estables de protones impares y neutrones impares (ver núcleos atómicos pares e impares # Protón impar, neutrón impar ); estos bosones impares son:2 1H, 6 3Li,10 5B, 14 7norte y 180m 73Ejército de reserva). Todos tienen espín entero distinto de cero.
- ^ A pesar de ser el portador de la fuerza gravitacional que interactúa con la masa, se espera que el gravitón no tenga masa.
Referencias [ editar ]
- ^ Wells, John C. (1990). Diccionario de pronunciación Longman . Harlow, Inglaterra: Longman. ISBN 978-0582053830. entrada "Boson"
- ^ "bosón" . Diccionario Collins .
- ^ Carroll, Sean (2007). Guía . Materia oscura, energía oscura: el lado oscuro del universo. La empresa docente. Parte 2, pág. 43. ISBN 978-1598033502.
... bosón: Una partícula portadora de fuerza, a diferencia de una partícula de materia (fermión). Los bosones se pueden apilar unos encima de otros sin límite. Algunos ejemplos son fotones, gluones, gravitones, bosones débiles y el bosón de Higgs. El giro de un bosón es siempre un número entero: 0, 1, 2, etc.
- ^ Notas sobre los desarrollos de la conferencia de Dirac en teoría atómica en Le Palais de la Découverte, 6 de diciembre de 1945 . Documentos de UKNATARCHI Dirac. BW83 / 2/257889.
- ^ Farmelo, Graham (25 de agosto de 2009). El hombre más extraño: la vida oculta de Paul Dirac, místico del átomo . Libros básicos. pag. 331. ISBN 9780465019922.
- ^ Daigle, Katy (10 de julio de 2012). "India: basta de Higgs, hablemos del bosón" . Prensa asociada . Consultado el 10 de julio de 2012 .
- ^ Bal, Hartosh Singh (19 de septiembre de 2012). "The Bose in the Boson" . El blog del New York Times . Archivado desde el original el 22 de septiembre de 2012 . Consultado el 21 de septiembre de 2012 .
- ^ "Bosón de Higgs: la poesía de las partículas subatómicas" . BBC News . 4 de julio de 2012 . Consultado el 6 de julio de 2012 .
- ^ Poole, Charles P. Jr. (11 de marzo de 2004). Diccionario enciclopédico de física de la materia condensada . Prensa académica. ISBN 978-0-08-054523-3.
- ^ "bosón". Diccionario en línea Merriam-Webster . Consultado el 21 de marzo de 2010 .
- ^ Carroll, Sean. "Explícalo en 60 segundos: Bosones" . Revista Symmetry . Fermilab / SLAC . Consultado el 15 de febrero de 2013 .
- ^ Srednicki, Mark (2007). Teoría cuántica de campos . Prensa de la Universidad de Cambridge. págs. 28-29. ISBN 978-0-521-86449-7.
- ^ Sakurai, JJ (1994). Mecánica cuántica moderna (edición revisada). Addison-Wesley . pag. 362 . ISBN 978-0-201-53929-5.
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