Los Misterios de la Física

¿Quién no ha oído la palabra Bosón en los últimos tiempos? Pero, ¿Qué es un Bosón?

Bueno, un Bosón es una partícula elemental con espín entero, es decir, una partícula que obedece a la estadística de Bose-Einstein de la cual deriva su nombre, y, cuando hablamos de estadística cuántica nos estamos refiriendo a la descripción estadística de un sistema de partículas que obedece a las reglas de la mecánica cuántica en vez de las de la mecánica clásica. En estadística cuántica, los estados de energía se considera que están cuantizados.

La estadística de Bose-Einstein se aplica si cualquier número de partículas pueden ocupar un estado cuántico dado. Dichas partículas se llaman Bosones. Los bosones tienen momento angular  nh/2π, donde n es cero o un entero y h es la constante de Planck. Para Bosones idénticos, la función de onda es siempre simétrica. Si sólo una partícula puede ocupar un estado cuántico, se aplica la estadística de Fermi-Dirac y las partículas se llaman fermiones. Los fermiones tienen momento angular  (n + ½) h/2π y cualquier función de ondas de fermiones idénticos es siempre antisimétrica.

La relación entre el espín y la estadística de las partículas está demostrada por el teorema  espín-estadística.

En un espacio de dos dimensiones es posible que haya partículas (o cuasi partículas) con estadística intermedia entre bosones y fermiones. Estas partículas se conocen con el nombre de aniones; para aniones idénticos la función de ondas no es simétrica (un cambio de fase de +1) o antisimétrica (un cambio de fase de -1), sino que interpola continuamente entre +1 y -1. Los aniones pueden ser importantes en el análisis del efecto Hall cuántico fraccional y han sido sugeridos como un mecanismo para la superconductividad de alta temperatura.

Pero estábamos hablando de los Bosones y, no estaría demás que, los lectores, supieran del Bosón gauge que es un Bosón vectorial de espín uno que hace de intermediario de las interacciones gobernadas por teorías gauge. Ejemplos de bosones gauge son los fotones en electrodinámica cuántica, los gluones en Cromodinámica cuántica y los bosones W y Z en el modelo de Weinberg-Salam (teoría electrodébil) que unifican las interacciones electromagnéticas y débiles. Si la simetría gauge de la teoría no está rota, el Bosón gauge es no masivo. Ejemplos de bosones gauge no masivos son el fotón y el gluón. Si la simetría gauge de la teoría es una simetría rota, el Bosón gauge tiene masa no nula; ejemplos de ello son los bosones W y Z. Tratando la Gravedad, descrita según la teoría de la Relatividad, como una teoría gauge, el Bosón gauge es el gravitón, partícula no masiva y de espín dos.

Hay un fenómeno que afecta a los Bosones y que se llama Condensación de Bose-Einstein, y, tal fenómeno ocurre en los sistemas macroscópicos consistente en un gran número de Bosones a temperatura suficientemente baja, en el que una fracción significativa de las partículas ocupan un único estado cuántico de energía más baja (el estado fundamental).

La condensación de Bose-Einstein sólo puede ocurrir para bosones cuyo número total es conservado en las colisiones. Debido al Principio de exclusión de Pauli es imposible que dos o más fermiones ocupen el mismo estado cuántico, por lo que no hay fenómeno análogo de condensación  para estas partículas.

La Condensación de Bose-Einstein es de importancia fundamental para explicar el fenómeno de la superfluidez. A temperaturas muy bajas (del orden de 10 ̄⁷ K) se puede formar un condensado de Bose-Einstein, en el que varios miles de átomos forman una única entidad (un superátomo). Este efecto ha sido observado con átomos de rubidio y litio.

Como curiosidad no puede dejar de apuntar que, el efecto es llamado así en honor del físico indio Satyendra Nath Bose y de Albert Einstein.

Al principio de éste trabajo preguntaba: ¿Quién no ha oído la palabra Bosón en los últimos tiempos?, y, desde luego, me estaba refiriendo a todo el proceso publicitario del LHC y su búsqueda del llamado “Bosón de Higgs”. Antes me refería a que, la teoría electrodébil unificaba las fuerzas nucleares débiles y electromagnéticas mediante la teoría formulada por Weinberg y Salam que unificó a estas dos interacciones fundamentales tan diferentes en sus manifestaciones (por separado) a un único principio de simetría. El modo en que esta simetría gauge electrodébil queda oculta es uno de los misterios más importantes que la Física debe resolver.

La solución más comúnmente aceptada,  viene de la mano del Modelo Estándar de la Física de Partículas que formularon Higgs, Brout, Englert, Murray Gell-Mann y otros allá por los años 60. El agente de la rotura de la simetría electrodébil es un campo escalar cuyas auto-interacciones seleccionan un estado del vacío en el que la simetría electrodébil queda oculta. El mecanismo de Higgs como es normalmente conocido confiere masa a los portadores de la fuerza débil W± y Z por analogía con el efecto Meissner en superconductividad. Este mecanismo nos indica el camino hacia la masa de los quarks y leptones además de dotar de forma al mundo que nos rodea.

Todos esperamos que el Acelerador de Partículas protón-protón LHC produzca las primeras colisiones a la energía de 14 TeV (si es posible en este mismo año). DE momento, en los preliminares experimentos realizados, se ha explorado la escala de Fermi, es decir, el régimen de energía que corresponde a una energía de alrededor de 1 TeV, y, en los siguientes experimentos quiero recordar que se ha llegado a los 3,5 TeV que, sumados los haces de protones que circulan en distintas direcciones, llegan a los 7 TeV. Así que, uno de los objetivos principales es el de buscar el origen del mecanismo de rotura espontánea de la simetría, por lo que la búsqueda del Bosón de Higgs es un objetivo clave que debe ser cumplido en dichos experimentos.

Está claro que, el valor individual de las partículas elementales que hoy son conocidas determina muchos de los aspectos de nuestra vida cotidiana y del comportamiento y tamaño del Universo en el que vivimos.

La masa del electrón, determina la escala de longitud de nuestro mundo, a través del radio de Bohr definido como: a=1/(α_em m_e), si la masa del electrón fuese nula, no existiría siquiera el enlace atómico, si fuese por ejemplo de 0,02 MeV/c², los humanos seríamos gigantes de más de 40 metros de alto y la luz visible se encontraría en el infrarrojo, y si la masa del electrón fuese como la del muon, el siguiente leptón en la escala de masas, la captura nuclear de electrones sería energéticamente posible y prácticamente el único átomo existente sería el He. Si los Quarks no tuviesen masa, o bien  m_u= m_d, y por tanto m_p> m_n, el proceso de desintegración del protón sería posible, lo que llevaría a un procesos de nucleosíntesis completamente diferente. Los pequeños valores de la masa de los Quarks u y d dan cuenta de un importante detalle del espectro de los nucleones.

La observación, en contra de lo intuitivamente esperado de que el neutrón, neutro (udd) es 1,29 MeV más masivo que el protón, cagado, (uud)  se puede explicar por el hecho de que m_des más grande que m_u, justo por la cantidad necesaria para compensar la mayor energía electromagnética interna del protón. Junto con la fuerza de enlace nuclear esta diferencia de masa entre el neutrón y el protón determinan la estructura de las desintegraciones radiactivas y el conjunto de los núcleos estables.

Si el Bosón W no tuviese masa, o ésta fuese mucho menor que su valor de cerca de 80,4 GeV/c², el proceso de fusión en las estrellas, y por lo tanto en nuestro Sol, p+p →D+e+ν, determinado por G_F˜ (M_W) ^-2

El resultado de lo anterior es que se produciría un período de tiempo más corto y a menor temperatura, lo que no dejaría humanos en la Tierra.

Se puede decir para resumir que los valores concretos de las masas de las partículas que conforman la materia, incluso la materia ordinaria, como el electrón y los Quarks u y d, y la del W son esenciales para la creación y desarrollo del Universo.

Está claro entonces que, el mecanismo de Higgs que distingue el electromagnetismo de la interacción débil es en resumen, de importancia capital para dar forma a nuestro mundo, dando cuenta de las masas de las partículas intermedias de la interacción débil, y dentro del SM proporcionando una masa a los Quarks y leptones. La comprensión de este mecanismo o de cualquier otro que explique estas propiedades, nos dará buenas herramientas para poder explicar por qué los átomos existen, cómo dichos átomos pueden formar el enlace químico, y la razón por la que las estructuras estables son posibles. La respuesta a estas cuestiones que son algunas de las más importantes que la Humanidad se ha planteado, están en la actualidad al alcance de la Física de Partículas que en ésta década que ha comenzado y con el LHC a plena disposición, será posible probar experimentos a escalas más pequeñas que 10 ^-18 m, que previsiblemente nos llevará a comprender el mecanismo de rotura de la simetría electrodébil, para lo cual, una parte crucial es buscar el Bosón de Higgs para comprobar y medir todas sus propiedades.

Si todo esto es posible, y definitivamente nos lleva a comprender el funcionamiento de la rotura espontánea de la simetría es un agente escalar elemental como ocurriría en el SM, sería la primera partícula de este tipo conocida experimentalmente. Entender su comportamiento nos podría llevar a nuevas ideas acerca de la dinámica del Universo en sus primeros momentos de “vida”, y, ¿por qué no? También nos podría situar ante el origen de la energía oscura.

Todo esto es fascinante y, desde luego, nos introduce en un mundo desconocido y misterioso que, en lo más profundo de la Naturaleza, tiene escondidas las respuestas que buscamos para poder saber, de una vez por todas, como es nuestro mundo, en qué clase de Universo estamos, y, sobre todo, el por qué desconocemos muchas de las cosas que ocurren a nuestro alrededor y de las que no podemos dar una respuesta coherente y cierta, ya que, nuestra enorme ignorancia, nos mantiene alejados de esos misteriosos secretos de la materia que, de momento, nadie ha sabido explicar.

Esperemos que, en unos pocos años se puedan despejar muchas de estas dudas y nos podamos situar a un nivel que, desde luego, hará mucho más fácil conocer el camino que tenemos que tomar para dirigirnos a un puerto seguro de nuestro futuro.

emilio silvera

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