Ana, sobre los Bosones W y Z.

Los bosones W y Z son las partículas mediadoras de la interacción de la fuerza débil, una de las cuatro interacciones fundamentales de la naturaleza. Son tres tipos de partículas fundamentales muy masivas que se encargan en general de cambiar el sabor de otras partículas, los leptones y los quarks

Fueron descubiertas en el CERN, aunque su existencia y características generales habían sido predichas mucho antes. El bosón W recibe ése nombre de la palabra inglesa 'weak', por la interacción débil a la que caracteriza. El bosón Z puede haber recibido ése nombre por ser el último de los tres en descubrirse, o tal vez por tener carga eléctrica 'zero'. En español también se suelen conocer como 'bosones intermedios'.

Los bosones son aquéllas partículas que tienen spin entero, medido en unidades de h-barra (spin = 0, 1, 2...).

Los siguientes son bosones:

• Las partículas portadoras de todas las interacciones fundamentales
• Las partículas compuestas por un número par de fermiones constituyentes (tales como los mesones)

El núcleo de un átomo es un fermión o un bosón, según la suma del número de protones y neutrones sea impar o par. Ésto explica el extraño comportamiento del Helio a temperaturas extremadamente bajas, a las que es un super fluído (significa que no tiene viscosidad, entre otras cosas): sus núcleos son bosones y pueden interpenetrarse.

Existen dos tipos de bosones W: uno con carga eléctrica positiva igual a la carga elemental y el otro con la misma carga pero negativa. Se simbolizan W⁺ y W⁻ y ambos son respectivamente antipartículas del otro. El bosón Z es eléctricamente neutro, y es su propia antipartícula.

Los tres tipos de bosones son muy masivos para ser partículas elementales Los bosones W tienen una masa de 80.4 GeV/c² y el bosón Z de 91.2 GeV/c². Son más masivos que los núcleos de hierro, lo que explica perfectamente que las distancias a las que ésta interacción actúa sean tan pequeñas, del orden de 10^-18 m.

Los tres bosones tienen un spin de 1, y una vida media muy corta del orden de 10^-25 segundos.

W y Z en la interacción débil 

Cuando un leptón o un quark parece convertirse en uno más ligero (se desintegra o decae), se dice que cambian de sabor. Todos los procesos de cambio de sabor se deben a la interacción débil, y en todas ellas interviene uno de los tres tipos de bosones intermedios.

Uno de los procesos más importantes en los que intervienen los bosones W es la desintegración beta, en la que un neutrón se 'convierte' en un protón:

Como podemos observar, el neutrón se convierte en un protón y emite además un electrón y un electrón-antineutrino. Pero el neutrón no es una partícula elemental, está hecho de 2quarks abajo y un quark arriba (y además de gluones), y se convierte en protón porque uno de los quarks abajo cambia su sabor a arriba.

Pero el quark abajo no es el que emite el electrón y el neutrino. De hecho, el quark abajo solo se convierte en el quark arriba y en un bosón W negativo (para conservar la carga eléctrica del sistema). Es el bosón W el que casi instantáneamente después decae en los dos leptones.

En el caso de la emisión de positrones, el bosón intermedio implicado es el positivo; se trata de la conversión de un protón en neutrón, positrón y electrón-neutrino.

Viendo los casos anteriores, el bosón Z debería intervenir en los procesos que no implican cambio en la carga eléctrica de la partícula afectada (pero sí cambio de sabor), pero no es el caso. Éste bosón solo actúa como portador de momento lineal: cuando dos partículas se intercambian un bosón Z una le está pasando momento a la otra. Éste intercambio se llamainteracción de corriente neutra, ninguna de las partículas afectadas cambia de sabor y su estudio requiere el uso de los aceleradores de partículas más energéticos del mundo.

Bosones W y Z virtuales 

Siguiendo con el ejemplo anterior, vemos que el quark abajo se convierte en un quark arriba y en un bosón W. Esto viola claramente la ley de conservación de la masa-energía, ya que parece imposible que haya tanta energía en el sistema como para que un ligerísimo quark genere de pronto un bosón W que tiene más de 20.000 veces su masa original. Pero el bosón W existe sólo durante unos 10^-25 segundos; debido al principio de indeterminación de Heisenberg, existe durante un tiempo tan breve, que no se podrá nunca medir su cantidad de movimiento (función de la masa) y posición con total exactitud.

Sólo hay que tener en cuenta que la masa-energía al final y al principio son equivalentes, y que en medio hubo una asimetría de masa-energía tan breve que es como si la realidad ni se diera cuenta de ella. Las partículas que hacen ése tipo de cosas se llaman partículas virtuales, y se dan también en las otras fuerzas fundamentales, pero la masa de los bosones W y Z hace que ésta idea cobre mayor relevancia.