Las interacciones las transmiten bosones, ¿a que sí? (36811)

Estoy muy convencido de que si te apasiona esto de la física y en especial lo de las partículas elementales y tal habrás oído, visto o leído que las interacciones entre las partículas se llevan a cabo intercambiando otras partículas. Pero claro luego rematan con que estas partículas son bosones, los bosones mensajeros.Posiblemente nos limitemos a repetir lo que hemos leído o escuchado por ahí, pero… ¿por qué han de ser bosónicas las partículas que median las interacciones?

Pues tal vez sea un buen momento para intentar explicar ese detalle de una forma entendible.

Lo que se sabemos

Haremos un repaso a las cosas que sabemos:

1.-  De la relatividad especial lo tenemos todo claro, especialmente la equivalencia entre la masa y la energía en general.  Ambas son manifestaciones de una única entidad. Podría poner la fórmula pero ya está muy trillada y generalmente mal entendida.  El caso es que energía y masa son una única cosa, tanto monta, monta tanto, aunque con sus peculiaridades particulares.

2.-  En cuántica sabemos que existe una característica denominada espín y que esa característica, entre otras muchas cosas, clasifica a las partículas en bosones y fermiones.

El caso es que el espín, para lo que nos atañe ahora, es una característica que puede tomar valores enteros (0, 1, 2, 3, 4,…)  o semienteros (1/2, 3/2, 5/2,…).  Las partículas con espín entero son bosones y las partículas con espín semientero son fermiones.  Es el nombre para cada una de esas clases de partículas clasificadas en función del valor en módulo de su espín. Punto pelota.

3.-  También conocemos las partículas elementales:

Y sabemos que eso que llamamos “materia” está formado por fermiones. 

 Los bosones se encargan de transmitir las interacciones entre las distintas partículas.

Tal vez sea adecuado insistir un poco en eso de la “transmisión” de las interacciones.  Lo que queremos decir con ello es que eso que nosotros identificamos por fuerzas, por ejemplo la fuerza eléctrica, en realidad es una manifestación de algo más profundo y más sutil.  La cuántica nos dice que las partículas interactúan de distintas formas porque tienen distintos tipos de cargas, carga eléctrica, carga débil, carga de color para la interacción fuerte.  Y que por el hecho de tener esas cargas son capaces de crear partículas que informan a otras partículas de las cargas que tienen.  Es decir, una partícula con carga eléctrica negativa es capaz de crear, y aquí crear se ha de leer literalmente, partículas (fotones en este caso) que comunican al resto de partículas que haya en las inmediaciones el tipo, el valor de la carga y su signo de la primera partícula de la que estamos tratando.

¿Cómo han de ser las partículas que transmiten la interacción?  Pues la cuántica nos dice que han de ser bosones.  ¿Por qué?  Ajá, esa es una buena pregunta.

Los bosones son los que han de mediar las interacciones, eso es así

Me van a permitir, si son tan amables, de ser un poco laxo en esto.

 A pesar de la relajación de la explicación tengan por seguro vuestras mercedes que no les engaño.

Para entender por qué las interacciones se realizan por el intercambio de bosones, partículas de espín entero, hemos de pararnos a reflexionar sobre qué es una partícula.

Una partícula la vamos a entender como un ente que tiene un conjunto de etiquetas con unos determinados valores.  Si somos muy reduccionistas podemos pensar que las partículas cuánticas no son más que esas etiquetas.

Veamos como es un  electrón por ejemplo:

Un electrón viene definido por ser aquello que tiene la masa del electrón, por tener la carga eléctrica del electrón y por tener un espín 1/2. Resulta también que todas las etiquetas que le podemos poner a las partículas, porque hay más, están asociadas a características físicas conservadas.

Por otra parte, hay dos características importantes aquí, la masa y el espín.  Estas dos características han de ser respetadas por las interacciones, es decir, no pueden cambiar su valor.  En el caso de la masa la cosa es simple, la masa ha de ser la masa y listo.  En el caso del espín la cosa es más sutil.

El espín de una partícula tiene un valor, entero o semientero, pero además lleva una flecha asociada.  Algo así:

Esa flecha está irremediablemente unida al electrón, o mejor dicho, es parte de lo que es un electrón.  Para cualquier otra partícula con cualquier otro valor del espín pasa lo mismo.   El valor del espín, en este caso el 1/2, está relacionado con lo que mide esa flecha. Y esa flecha puede ser girada.

El último punto del anterior párrafo es la clave. Es importante porque según la cuántica no es lo mismo un electrón con la flecha apuntando en una dirección que otro electrón (que tendrá su misma masa y su mismo valor de espín) cuya flecha apunte en otra dirección.  Decimos que sus estados son diferentes, siguen siendo dos electrones idénticos pero en estados distintos.

En las interacciones, el estado inicial y final de una partícula en lo relativo a su espín ha de ser el mismo.  Eso es lo que nos obliga a aceptar que solo los bosones sean los mensajeros de las interacciones.

Traducido a nuestro idioma, la flecha del espín de una partícula ha de apuntar al mismo sitio durante las interacciones.

¿Cómo se realiza una interacción?

  Pues según la cuántica una partícula por el hecho de tener cargas, que son las que permiten sentir y generar las interacciones, perturba sus inmediaciones y esas perturbaciones se expresan como creación de partículas que son las encargadas de transmitir su presencia y qué tipo y valor de carga tiene. 

 Cada tipo de carga estará asociada a la existencia de una o más partículas mensajeras que informan de las mismas a todas las demás.

Aquí te puede surgir una duda, si se están creando partículas y las partículas tienen energía ¿de dónde sale esa energía?  

Buena pregunta y la respuesta es que esa energía se roba del vacío a costa de que esas partículas no se puedan detectar.  Es lo que se conoce como partículas virtuales.  Su único objetivo vital es el de transmitir interacciones.  Son virtuales porque su existencia es tanto más breve cuanta mayor energía se haya necesitado para generarla desde el vacío. Esta descripción es la que uno obtiene de la lectura literal del formalismo matemático de la teoría cuántica de campos que es la que explica estas cosillas. Bueno, en realidad de uno de ellos, hay otros formalismos en los que esta visión no calza bien, de ahí que exista una discusión sobre el verdadero significado de las partículas virtuales.  

Pero estas partículas no solo se generan con energía, que extraen desde el vacío, sino que también con espín.  Y claro, aquí viene el problema.  El espín generado toquetea el estado de la partícula inicial con su carga, su masa y su propio espín.  ¿Y cómo se produce eso?

Pues bien, y aquí voy a ser laxo al extremo, el valor del espín generado le dice al espín de la partícula inicial cuántas vueltas tiene que dar.

  Así que veamos estas situaciones:

En la parte de arriba se va a crear una partícula mensajera fermiónica de valor de espín de 1/2.  En la parte de abajo se creará un bosón, una partícula de espín 1, por ejemplo.

Para que la conservación del espín no sea un problema en cuántica en realidad lo que uno tiene que tener cuidado no es tanto con el valor del espín, que también, sino con hacia dónde apunta la flecha de espín asociada a las partículas.  Si se crea una partícula de espín 1/2 en este proceso “obligará” al espín de la partícula que nos interesa a dar media vuelta…  Si se crea una partícula de espín 1 tendrá que dar una vuelta.

Lo que nos quedaría sería algo así:

El problema gordo es que si se crea un fermión, espín semientero, el estado de la partícula inicial cambia, al menos hacia donde apunta su espín.  Sin embargo, los bosones, espines enteros, dejan la flecha tal y como estaba al principio.  Podéis pensarlo con otros valores de los espines si gustáis.

De igual forma, otra partícula que recibiera esas partículas mensajeras debería de cambiar su flecha de espín si recibe un fermión pero no si recibe un bosón.  

Y como hemos dicho, el estado relativo al espín de las partículas (hacia donde apunta la flecha) se ha de preservar en las interacciones.

Pues nada, solo era eso, espero que se haya aclarado un poco el tema y ahora sepamos por qué son bosones las partículas que transmiten las interacciones.  

Eso sí, todo lo que he contado aquí tiene como origen la formulación matemática de las interacciones fundamentales pero traducido a palabras llanas pierde un poco. 

Aquí he hecho muchas simplificaciones, espero no haber dicho nada absolutamente incorrecto, que creo que no pero nunca se puede estar seguro del todo.

Nos seguimos leyendo…