Boso de gauge

Classificacio	boso elemental i Particula mediadora
Interaccions	gravetat , forca nuclear forta , forca nuclear feble i forca electromagnetica
Espin	1
Supercompanya	gaugi

En fisica de particules , un boso de gauge o boso intermediari es una particula (de fet, un boso ) que actua com a portadora d'una interaccio fonamental de la natura. Mes especificament, la interaccio entre les particules elementals esta descrita per les teories de camps de gauge i s'exerceix mitjancant l'intercanvi de bosons de gauge entre si, usualment com a particules virtuals .

El model estandard [ modifica ]

El model estandard es un model que descriu les particules que constitueixen la materia, com tambe les interaccions entre elles, d’acord amb la mecanica quantica i la relativitat especial . Segons aquest model, tota la materia coneguda esta constituida en darrer terme per fermions ( quarks i leptons ), que son particules que obeeixen l' estadistica de Fermi-Dirac , per exemple els protons i els neutrons estan formats per tres quarks cadascun i l'electro es un lepto. Quarks i leptons poden ser de sis tipus diferents (anomenats sabors) que es poden agrupar en tres families: up i down , strange i charme , top i bottom per als quarks, i els corresponents leptons: electro i neutri electronic , muo i neutri muonic , i particula tau i neutri tauonic . ^[1]

Per altra banda, d’acord amb aquest model, hi ha quatre interaccions fonamentals: la forca nuclear forta , l’ electromagnetica , la interaccio feble i la gravitatoria , cadascuna de les quals es transmesa per una particula anomenada boso intermediari o boso de gauge: els gluons , els bosons W ⁺ , W ^? i Z ⁰ , els fotons , i els gravitons , respectivament. ^[1]

S'anomenen bosons les particules que tenen espin enter no negatiu i obeeixen l' estadistica de Bose-Einstein . Els bosons poden ser particules elementals , com les particules intermediaries de les interaccions fonamentals; particules compostes, com els mesons , o sistemes mes complexos, com nuclis atomics i atoms .

Els gluons [ modifica ]

Els gluons son bosons de gauge o intermediaris de massa nul·la, carrega electrica nul·la i espin 1, se simbolitzen com g . Transmeten la interaccio nuclear forta entre quarks . Aixi els quarks interactuen emetent i absorbint gluons, de la mateixa manera que les particules carregades electricament interactuen mitjancant l'emissio i l'absorcio de fotons. ^[2] Els quarks poden tenir tres diferents carregues de color (blau, verd i roig) i en emetre o absorbir un gluo canvien de carrega de color. Tanmateix, els gluons son mes complexos que els fotons. Aquests no tenen carrega electrica, pero els gluons tenen carrega de color, la qual cosa significa que interaccionen entre ells. Els gluons es presenten en vuit possibles estats de carrega de color (verd-antiblau, blau-antiroig...) i, per aixo, poden acoblar-se a les carregues de color de quarks i antiquarks . En tenir carrega de color, els gluons no es poden aillar i participen en els processos d'interaccio nuclear forta acoblant-se tambe entre si, a mes de ser els intermediaris de la interaccio. ^[3]

A diferencia d'altres forces conegudes, la interaccio entre quarks no disminueix amb la distancia. Aquest comportament implica que es necessaria una enorme quantitat d'energia per separar dos quarks, per exemple, el parell quark-antiquark que forma un meso . Es crea una corda de gluons entre ells fins al punt que, en arribar a cert moment, es energeticament favorable la creacio d'un nou parell quark-antiquark, de manera que l'estat final es de dos mesons, en lloc d'aconseguir quarks lliures. Aquest comportament es el que es denomina confinament dels quarks i fa que siguin inobservables directament. ^[4]

Teoricament poden existir les anomedaes bolles de gluons , que son particules formades per dos o mes gluons, sense presencia de quarks. Tot i que existeixen alguns candidats a ser boles de gluons, fins al moment actual no s'han identificat experimentalment amb certesa, ja que els seus nombres quantics coincideixen amb els dels mesons ordinaris. ^[5]

El mot gluon ‘gluo’, fou encunyat el 1962 pel fisic teoric estatunidenc Murray Gell-Mann (1929-2019) i prove de l'angles glue , ‘cola’. ^[3] El 1979 es confirma l'existencia dels gluons mitjancant l'observacio de la radiacio dels gluons pels quarks en estudis de col·lisions de particules d'alta energia al laboratori nacional alemany, el Deutsches Elektronen-Synchrotron (DESY), a Hamburg . ^[2]

Els bosons W i Z [ modifica ]

Hi ha tres bosons vectorials intermediaris que transmeten la interaccio feble : el boso W ⁺ , amb una carrega electrica de +e , aixo es 1,602 × 10 ^?19 C; el boso W ^? , antiparticula de l'anterior i amb carrega ?e (?1,602 × 10 ^?19 C), i el boso Z ⁰ , que es electricament neutre. La massa del boso W  es de 80,399 (23) G eV /c ² i la del boso Z, de 98,187 6 (21) GeV/c ² . ^[6] La massa del proto es de 0,938 GeV/c ² , per tant, els bosons W tenen unes masses vuitanta-sis vegades superiors a la del proto, i el boso Z cent-cinc vegades superior. Aquesta caracteristica es responsable de l'extremadament curta distancia de la forca feble, la qual te una influencia confinada a una distancia d'aproximadament 10 ^?17 metres perque, segons estableix la mecanica quantica , la distancia d'accio d'una forca determinada tendeix a ser inversament proporcional a la massa de la particula que la transmet. ^[7]

L'existencia dels bosons vectorials intermediaris i les seves propietats foren predites a finals dels anys seixanta pels fisics Sheldon Lee Glashow (1932), Steven Weinberg (1933-2021) i Abdus Salam (1926-1996). Els seus esforcos teorics, coneguts actualment com a teoria electrofeble , expliquen que la forca electromagnetica i la forca feble, considerades durant molt de temps com entitats separades, son en realitat manifestacions de la mateixa interaccio fonamental. Tal com la forca electromagnetica es transmet mitjancant particules portadores conegudes com a fotons, la forca feble es intercanviada a traves dels tres tipus de bosons vectorials intermediaris W ⁺ , W ^? i Z ⁰ . ^[7]

En processos de baixa energia com la desintegracio β , les particules pesants W es poden intercanviar nomes perque el principi d'incertesa de Heisenberg permet fluctuacions en massa-energia durant intervals de temps prou curts. Aquestes particules W no es poden observar directament. No obstant aixo, es possible produir particules W detectables en experiments amb acceleradors de particules que involucren col·lisions entre particules subatomiques, sempre que l'energia de la col·lisio sigui prou alta. Una particula W d'aquesta mena decau despres en un lepto carregat (per exemple, un electro, un muo o una tau) i un neutri associat, o en un quark i un antiquark de tipus diferent (o ≪sabor≫) pero amb una carrega total de +1 o ?1. ^[7]

El 1983, dos experiments a l' Organitzacio Europea per a la Recerca Nuclear (CERN) a Ginebra detectaren caracteristiques que s'aproximaven estretament a les prediccions per a la formacio i desintegracio de les particules W i Z . Els seus resultats constituien la primera evidencia directa dels bosons febles i proporcionaven un fort suport per a la teoria electrofeble. Els bosons Z i W foren observats posteriorment de manera mes directa el 1983 en experiments de col·lisions proto - antiproto d'alta energia realitzats al CERN. El fisic del CERN Carlo Rubbia (1934) i l'enginyer Simon van der Meer (1925-2011) van rebre el Premi Nobel de Fisica del 1984 en reconeixement del seu paper en la descoberta de les particules W i Z . ^[7]

Les mesures dutes a terme al CERN mostren que quan el boso Z es desintegra en parelles neutri - antineutri , produeix unicament tres tipus de neutrins lleugers. Aquesta mesura es d'importancia fonamental, ja que indica que nomes hi ha tres conjunts de leptons i quarks, els elements basics de la materia. ^[9]

Els fotons [ modifica ]

Els fotons formen la radiacio electromagnetica ( ones de radio , llum , raigs ultraviolats , raigs X , raigs gamma …), son emesos i absorbits per la materia i transporten la interaccio electromagnetica. El foto te espin igual a 1, i, per tant, es un boso; com que la seva massa en repos es nul·la, l’ helicitat del foto nomes pot ser 1 o ?1, pero no 0. Hom el representa pel simbol γ. ^[10]

Els fotons foren proposats pel fisic alemany Albert Einstein (1879-1955), l’any 1905, per donar una explicacio satisfactoria a la propagacio de la llum en fenomens com l’ efecte fotoelectric . Amb la realitzacio d’experiencies de xoc entre electrons i radiacio lluminosa ( efecte Compton ) hom ha pogut constatar el caracter de particula que presenta a vegades el foto, la qual cosa permet d’associar-li un moment lineal hν/c i una energia hv (essent h la constant de Planck , v la frequencia de la radiacio i c la velocitat de la llum al buit). ^[10]

Els gravitons [ modifica ]

Els gravitons son particules hipotetiques que transmet la interaccio gravitacional en el marc de la teoria quantica de camps, se simbolitzen per G . Encara que no han estat descoberts es pot deduir que la seva massa ha de ser nul·la, ja que la gravitacio es una forca de llarg abast. La seva carrega electrica ha de ser tambe nul·la i el seu espin, enter (son, per tant, bosons). ^[11] El nom graviton ‘gravito’ fou proposat el 1934 per dos fisics teorics russos, D.I. Blokhintsev (1908-1979) i F.M. Gal'perin. ^{[12] [13]}

Segons la teoria de la relativitat general d' Albert Einstein , la gravetat es una propietat inherent de l'espai-temps que es manifesta com una curvatura causada per la presencia de massa i energia. No obstant aixo, en la teoria quantica, que descriu les interaccions a escala de particules elementals, cal postular una particula portadora de la forca gravitatoria, similar als altres camps de forces coneguts, com l'electromagnetisme (amb el foto) o les forces nuclears (amb els bosons W i Z ). Te un espin igual a 2 unitats, i aixo el diferencia dels altres bosons coneguts, que tenen spins diferents (0 o 1). Ja que sembla que els gravitons serien identics a les seves antiparticules, la nocio d' antigravetat es questionable. ^[14]

Una caracteristica comuna en diverses alternatives teoriques a la teoria de la relativitat general es que el gravito te una massa diferent de zero. Aquestes teories es poden descriure com a teories de gravetat massives. Malgrat les nombroses complexitats teoriques d'aquestes teories, des d'un punt de vista fenomenologic les implicacions de la gravetat massiva s'han utilitzat ampliament per establir limits per a la massa del gravito. Una de les implicacions generiques de dotar de massa al gravito es que el potencial gravitatori disminuira de manera similar a una caiguda del tipus potencial de Yukawa. Aprofitant aquesta caracteristica de les teories de gravetat massives s'ha investigat la massa del gravito fent servir els objectes mes grans lligats gravitacionalment, es a dir, els cumuls de galaxies . Les observacions fetes des del 2016 han establert el limit mes estricte per a la massa del gravito, la qual es inferior a 6 × 10 ^?32 eV /c ² . ^[15]

Referencies [ modifica ]