Antes de nada, acabo de crear la categoría para esta serie (algo que debería haber hecho hace bastante tiempo), para que podáis tener una manera inmediata de ver todas las entradas juntas: Esas maravillosas partículas. De este modo no tengo que enlazar todos los artículos anteriores.
Recordarás que, en la entrada del fotón, mencionamos que estas partículas son las intermediarias de la fuerza electromagnética. Dicho de otra manera, cuando dos partículas interaccionan mediante la fuerza electromagnética (por ejemplo, cuando dos electrones se repelen, o cuando un imán atrae a otro) lo hacen intercambiando fotones virtuales. Cuando dediquemos una serie a las cuatro fuerzas fundamentales hablaremos más sobre este asunto.
Bien, aún nos quedan varias partículas de ese tipo por analizar. Hoy vamos a dedicarnos a los responsables de la interacción nuclear débil, la responsable de las desintegraciones radiactivas: los bosones W y Z.
Estas partículas fueron predichas antes de ser descubiertas: después de que los físicos consiguieran, con la electrodinámica cuántica, una teoría que explicaba muy bien la interacción electromagnética mediante el intercambio de fotones virtuales, se preguntaron…¿no podría hacerse lo mismo con las otras fuerzas? ¿Puede haber otras partículas, además del fotón, que sean los “intermediarios” de esas fuerzas?
En 1968, un grupo de científicos (Sheldon Glashow, Steven Weinberg y Abdus Salam) lograron plantear una teoría unificada que explicaba muy bien tanto la interacción electromagnética como la fuerza nuclear débil. Éste fue el primer paso hacia una (aún inexistente hoy en día) “teoría de gran unificación” que explique todas las fuerzas fundamentales; puesto que combina la electromagnética y la débil, suele denominarse teoría electrodébil. Estos tres científicos obtuvieron el Premio Nobel de Física en 1973 por su teoría.
La teoría electrodébil de Weinberg, Salam y Glashow proponía dos nuevas partículas como intermediarias de la fuerza débil. Ambos eran bosones, que los científicos denominaron W y Z por razones, como siempre, algo arbitrarias. El bosón W se llamó así por ser responsable de la interacción débil (W por weak en inglés), y el bosón Z recibió su nombre, medio en serio y medio en broma, por decirse que era la última partícula que necesitaba ser descubierta.
Los tres físicos predijeron con gran precisión las propiedades que estas nuevas partículas debían tener (y de las que hablaremos en un momento). Quince años después de la publicación de su teoría, en 1983, tanto el bosón W como el bosón Z fueron observados por primera vez en el CERN. Los científicos responsables de los experimentos, Carlo Rubbia y Simon van der Meer, recibieron el Premio Nobel en 1984 por este descubrimiento.
Podrías pensar que tiene mucho más mérito predecir las partículas que observarlas, pero ambos grupos recibieron el Nobel porque ambas facetas de la investigación son absolutamente fundamentales para el proceso de la ciencia, y tanto los científicos teóricos (como Einstein o Weinberg) como los experimentales (como Rubbia o van der Meer) se basan en el otro grupo para conseguir avanzar. Sólo unos pocos genios absolutos, como Enrico Fermi, han sobresalido como teóricos y experimentales.
Pero, ¿por qué fue tan difícil descubrir estas partículas? Su descubrimiento se ha producido, relativamente hablando, ayer por la mañana, cuando la desintegración radiactiva se conoce desde hace mucho tiempo. La razón es, naturalmente, que estos bosones son partículas extraordinariamente fugaces: su vida media es de unos 3·10-25 segundos. Como solemos hacer para dar una idea de cómo de pequeño es esto, en primer lugar son 0,0000000000000000000000003 segundos.
Esto quiere decir que, desde que un bosón W o Z se crea hasta que vuelve a desaparecer, la luz podría recorrer una distancia de 10-16 metros…¡no sería capaz ni de atravesar el núcleo de un átomo! Ésta es una de las dos razones, querido lector de El Tamiz, por las que nunca has notado la existencia de estos bosones, incluso aunque hayas estado cerca de algún material fisible.
Parte de la culpa de esta enorme inestabilidad de estas partículas está en su masa. Los bosones W y Z son enormes: casi 100 veces más pesados que un protón. Una vez más, es difícil hacerse una idea de cómo de pesado es esto, pero piensa que un bosón de estos pesa más que un átomo de hierro entero. ¡Una sola partícula! Son “pesos pesados”, pero duran muy poco tiempo.
De ahí que la fuerza nuclear débil casi no se note fuera del núcleo de los átomos: piensa que los fotones, responsables de la electricidad y el magnetismo, son estables y pueden recorrer una distancia indefinida por el espacio, pero estos enormes bosones W y Z viven tan poco tiempo que no pueden llevar la fuerza débil a ningún sitio más que a las proximidades muy próximas de donde son generados.
Existen tres bosones en este grupo, todos ellos con espín 1 (recuerda, el espín entero significa que la partícula es un bosón, semientero que es un fermión). El bosón W+ tiene la carga del protón, el W- es su antipartícula y tiene la carga del electrón, y el bosón Z (a veces escrito Z0) no tiene carga, y no sólo eso: es su propia antipartícula.
Puede que recuerdes la desintegración beta, por la que un neutrón se desintegra y se convierte en un protón, un electrón y un antineutrino electrónico (hablamos de ella en la entrada sobre el neutrón). Bien, a estas alturas estás preparado para bucear más profundamente en esa desintegración. Lo que ocurre “dentro del neutrón” es lo siguiente:
Recordarás que un neutrón está formado por un quark up y dos quarks down, mientras que el protón está formado por dos quarks up y uno down. ¿Ves por dónde van los tiros? Lo que sucede realmente es que uno de los quarks down se convierte en un quark up….pero claro, ahí no se conserva la carga (el quark down tiene carga -1/3 y el up tiene +2/3), de modo que se crea además un bosón W-.
Pero ese bosón se desintegra en muy poco tiempo, creando a su vez un electrón y un antineutrino electrónico, que son los que nosotros vemos “desde fuera” cuando observamos una desintegración radiactiva.
Diagrama de Feynman de la desintegración beta, con la participación del bosón W.
Por otro lado, los bosones Z son los responsables de un efecto muy poco común denominado corriente neutra, que es una consecuencia inevitable de la teoría electrodébil: la corriente neutra hace que, intercambiando bosones Z (que no tienen carga), las partículas se transfieran momento lineal unas a otras, empujándose sin que haya transferencia de fotones como en la interacción electromagnética.
Por cierto, como puedes ver, estas dos partículas tienen masa (de hecho, muy grande) y son bosones. Hay gente que piensa que los fermiones son “partículas con masa” y los bosones “partículas sin masa”, o incluso que todos los bosones se mueven a la velocidad de la luz. Esto es cierto para los fotones (que no tienen masa y van a la velocidad de la luz), pero no para otros bosones. Otro ejemplo es la partícula de la que hablaremos en la próxima entrega de la serie: el pión.
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El texto de Esas maravillosas partículas - Los bosones W y Z , por Pedro Gómez-Esteban, salvo donde se mencione explícitamente, está publicado bajo Creative Commons Attribution-Noncommercial-No Derivative Works 2.5 Spain License.
{ 18 } Comentarios
Bueno, yo tengo una GRAN duda, ¿de donde sale la masa de ese boson? ¿Qué pasa que estas partículas se saltan a la torera el principio de conservación de la masa? Porque si me dices que su masa se volatiliza en energia, eso tiene que ser un BOMBAZO de la leche.
cruzki,
Sí, estas partículas se saltan a la torera el principio de conservación de la masa….porque ese principio es mentira. Lo que se conserva en el Universo es la “masa-energía”. En las reacciones químicas se utiliza esa “ley de conservación de la masa” porque no se producen reacciones nucleares.
Y sí, cuando esas partículas se volatilizan (y pueden hacerlo en las combinaciones adecuadas, por ejemplo, un protón y un antineutrón, un boson [W+] y uno [W-]… se produce un bombazo de la releche en el que se liberan fotones de una energía gigantesca.
Cuando construyan bombas de materia-antimateria las bombas atómicas nos van a parecer una bromita…
Ya, pero entonces ¿De donde sacan la energía para producirse? Me refiero, si para que se produzca una desintegración atómica, es necesario producir una de estas partículas, ¿De donde narices sale la energía para crearla?
¿La corriente neutra tiene algo que ver con el Entrelazamiento Cuántico o estoy mezclando el tocino con la velocidad xD?
Si algun dia hay tiempo me encantaria que hicierais un articulo tratando ese tema, que fascinaba hasta a el mismisimo Einstein …
curzki,
La energía cuando se producen las partículas reales en un acelerador sale de la energía cinética de las partículas que colisionan, de modo que partículas pequeñas que van muy rápido pueden crear partículas más pesadas.
En la desintegración beta, como en cualquier otra interacción (electromagnética, débil, etc.) las partículas intermediarias son partículas virtuales… lo cual hace que no sigan las mismas leyes que determinan su energía. A las partículas virtuales pueden pasarles cosas muy, muy raras, mientras ocurra durante un tiempo muy corto (algo relacionado con la indeterminación de la energía y el tiempo).
De modo que puede parecer que un quark nunca podría generar una partícula W, mucho más pesada, pero sí es posible si esa partícula es virtual. Cuando hablemos de las cuatro fuerzas fundamentales hablaremos más de partículas virtuales (las cuáles no gustan demasiado a algunos físicos), pero con ellas puede parecer que se viola la conservación de la energía durante tiempos muy cortos (tanto más cortos cuanto más energía “se toma prestada”).
Sé que esto no es una buena explicación, y lo siento. Espero que cuando lleguemos a esos artículos pueda extenderme más…
Ángel,
Por lo que sé, no tiene que ver con el entrelazamiento cuántico. Y probablemente le dediquemmos un artículo cuando hablemos de la física cuántica en la serie “cuántica sin fórmulas”, pero eso será probablemente después del verano.
Ummm, pos no es tan mala la explicación. La primera parte si la conocía y la segunda le da sentido al discruso. Tocará esperar a la serie de las fuerzas fundamentales.
De todas formas supongo que las partículas “virtuales” tendrán algún tipo de fundamento matemático detrás que les de sentido, aunque yo estoy con los físicos, no parece una solución muy elegante.
PD: ¿Los fotones también entran dentro del asunto este de las partículas “virtuales”?
Los fotones que forman la radiación electromagnética (como la luz) no. Los fotones responsables de que dos electrones se repelan, sí.
¿podrias actulizar la tabla con las particulas?, para ver donde quedan estos nuevos bosones.
@ pedro
¿son distintos?
javier,
Sí, Geli no ha podido hacerlo este fin de semana, pero cuando esté lista la colgamos en esta entrada (o en la siguiente si no le da tiempo hasta entonces).
cruzki,
Sí, en el hecho de que unos son reales y los otros virtuales.
@ pedro
¿entonces las que fabricamos en el CERN son de las “reales” y las que desintegran núcleos son virtuales, no?
Esto se pone muy “raro” ¿no? Supongo que no hay forma de “interceptar” estas partículas virtuales, pues en ese caso tendríamos una especie de “antifuerzas”, ¿no? Sin embargo a las reales, si q se las puede interceptar… No estaría mal una entrada sobre este tema… yo me estoy haciendo un lío de narices
Sí, lo de las partículas virtuales es raro de verdad…como he dicho, hay gente a la que no le gustan ni pizca. Y las que fabricamos en el CERN son reales, en efecto.
Cuando hablemos de las cuatro fuerzas, toca hablar de partículas virtuales
me parece que la violación de leyes por las partículas virtuales es inversamente proporcional a su tiempo de vida (medido por ellas), es la única explicación lógica que se me ocurre
¿El tiempo no puede ser o poseer energía?
Hola Pedro,
Acabo de descubrir esta serie y siento hacerte volver a esta entrada (veo que la última pregunta data de abril), pero me ha quedado una duda respecto a la desintegración beta del neutrón… duda razonable dentro del marco de lo que creo entender en lo que aquí se explica (porque después de leer unas cuantas entradas será por dudas
así que también es una pregunta muy limitada en relación a mi ignorancia al respecto:
Si ya se hayó que para cumplirse la conservación de energía y cantidad de movimiento, la desintegración debía de producir además de un protón y un electrón, un antineutrino, ¿cómo se dedujo que el electrón y el antineutrino eran a su vez resultado de la desintegración de un (anti?)bosón W-? Quiero decir, si la “ecuación” ya daba lo que debía de dar respecto a las cargas y a la cantidad de energía-materia (0 del neutrón =+1 del protón -1 del electrón +0 del antineutrino electrónico), y el promedio de vida de un bosón es TAN TAN TAN pequeño que no se puede detectar… ¿cómo se pudieron observar experimentalmente? ¿cómo puede averiguarse la carga de una partícula tan inestable -¿cómo y con qué puede interaccionar?- y con ello deducir que de él surgen el electrón y el antineutrino?
Otra vez darte gracias por esta serie, como ya te han dicho otros yo también me quedé en los conceptos de neutrón, protón, electrón y los quarks como aquello de lo que están formados los primeros, y aquí estamos, rehaciendo esquemas. Me estoy quedando a cuadros con las de partículas que existen y que han sido identificadas, y con que entiendo algo de todo esto!… y a la vez empezando a hacerme una ligerísima idea del fundamento de este gigantesco acelerador de hadrones del que tanto se habla
Saludos
@ electric.sheep,
Son muchas preguntas, pero creo que todas relacionadas. La existencia de ese bosón W “intermedio” sólo es necesaria dentro de la teoría electrodébil, que es parte del Modelo Estándar. La teoría electrodébil no permite la desintegración beta sin que intervenga la fuerza débil a través del W. Desde luego, es posible no aceptar esa teoría y quedarse con el antineutrino y el electrón directamente, suponiendo que el W no existe.
La cuestión es que, realizando experimentos en aceleradores, los científicos observaron signos inequívocos de los bosones W y Z, que hacían de la teoría electrodébil algo muy sólido y de la existencia de estos bosones algo casi innegable.
La manera en la que se detectan las partículas muy inestables suele ser simplemente a partir de las partículas en las que se desintegran: suelen poder hacerlo de varias maneras, y la teoría suele predecir el % de probabilidad de cada una. Se crean los experimentos que se piensa van a producir la partícula inestable un porrón de veces, se cuenta el número de veces que aparecen los conjuntos de partículas que se supone resultan de su desintegración y, si coincide la proporción de cada una con la teoría, se asume la existencia de la partícula de acuerdo con la teoría.
Espero que esto resuelva, al menos en parte, tus dudas
Aceptamos barco, me vale
Gracias
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