Bosón: la partícula que puede compartir su estado cuántico

Qué es un bosón: espín entero y estadística de Bose-Einstein

Un bosón se define por dos rasgos ligados entre sí. El primero es el espín: un momento angular intrínseco y cuantizado que, en el caso de los bosones, toma valores enteros medidos en unidades de la constante de Planck reducida (ħ), es decir 0, 1, 2, etcétera. El fotón tiene espín 1; el bosón de Higgs, espín 0; el hipotético gravitón tendría espín 2.

El segundo rasgo es su comportamiento colectivo. Los bosones obedecen la estadística de Bose-Einstein, que describe cómo se reparten partículas idénticas entre los estados disponibles de un sistema. Su consecuencia más llamativa es que un número arbitrario de bosones puede ocupar exactamente el mismo estado cuántico. Cuando se intercambian dos bosones idénticos, la función de onda del sistema no cambia de signo (es simétrica), y esa simetría es la raíz matemática de su tendencia a agruparse.

Ambas propiedades no son independientes: el teorema de espín-estadística, demostrado con rigor por Wolfgang Pauli en 1940 en el marco de la teoría cuántica de campos, establece que toda partícula de espín entero se comporta como bosón y toda partícula de espín semientero como fermión. Es uno de los resultados más profundos de la física moderna.

Bosones frente a fermiones: por qué importa la diferencia

La contraparte del bosón es el fermión, partícula de espín semientero (1/2, 3/2…) que obedece la estadística de Fermi-Dirac. Los fermiones cumplen el principio de exclusión de Pauli, enunciado en 1925: dos fermiones idénticos no pueden ocupar el mismo estado cuántico. Los electrones, los quarks y los neutrinos son fermiones, y esa exclusión es la que da volumen a los átomos y estructura a la tabla periódica.

La distinción tiene consecuencias tangibles. Como los electrones no pueden apilarse todos en el estado de menor energía, se distribuyen en capas y orbitales sucesivos: de ahí nace la química. Los bosones, no sujetos a esa prohibición, tienden estadísticamente a poblar el mismo estado, un efecto que se aprovecha en tecnologías de precisión.

A grandes rasgos, los fermiones constituyen la materia y los bosones median las interacciones entre ella. Es una división del trabajo que vertebra todo el Modelo Estándar de la física de partículas, aunque conviene no tomarla como una regla absoluta: también existen bosones compuestos formados por fermiones, como se ve más abajo.

Para situar cada familia conviene revisar qué es una partícula subatómica, qué distingue a un leptón y qué es un quark, los ladrillos fermiónicos fundamentales.

Satyendra Nath Bose y el origen del término bosón

La historia empieza en 1924 en la Universidad de Daca, donde Satyendra Nath Bose (1894-1974) buscaba una deducción limpia de la ley de radiación del cuerpo negro de Planck. Bose trató la luz como un gas de cuantos indistinguibles y contó los estados posibles de un modo nuevo, sin apoyarse en la electrodinámica clásica. El resultado reproducía la fórmula de Planck de manera natural.

Después de que su manuscrito fuera rechazado por una revista británica, Bose se lo envió directamente a Albert Einstein. Einstein reconoció su importancia, lo tradujo al alemán y consiguió que se publicara ese mismo año en Zeitschrift für Physik. A continuación extendió el método de Bose de los fotones a partículas materiales con masa, dando forma a lo que hoy llamamos estadística de Bose-Einstein.

El término bosón se acuñó años más tarde en homenaje a Bose, y suele atribuirse a Paul Dirac. Es uno de los pocos casos en que una clase fundamental de partículas lleva el nombre de un científico no europeo, y refleja el carácter genuinamente internacional de la revolución cuántica.

Los bosones gauge: portadores de las interacciones fundamentales

Los bosones gauge son partículas elementales de espín 1 que actúan como mensajeros de las interacciones fundamentales. En el Modelo Estándar, las fuerzas no operan por contacto sino mediante el intercambio de estos cuantos, y cada interacción tiene el suyo.

El fotón, sin masa y sin carga eléctrica, transmite la interacción electromagnética y tiene alcance ilimitado. Los ocho gluones median la interacción nuclear fuerte, que mantiene confinados a los quarks dentro de protones y neutrones; carecen de masa, pero portan carga de color, lo que hace que interactúen también entre sí. Los bosones W⁺, W⁻ y Z⁰ transmiten la interacción nuclear débil, responsable de procesos como la desintegración beta.

A diferencia del fotón, los bosones W y Z son muy masivos: en torno a 80,4 GeV/c² el W y 91,2 GeV/c² el Z, es decir entre ochenta y cien veces la masa del protón. Esa masa elevada explica por qué la interacción débil tiene un alcance extremadamente corto, muy inferior al tamaño de un protón. Se detectaron en 1983 en el colisionador protón-antiprotón del CERN, en los experimentos UA1 y UA2; el hallazgo confirmó la teoría electrodébil y valió a Carlo Rubbia y Simon van der Meer el Nobel de Física de 1984.

Para profundizar puede consultarse el Modelo Estándar, la fuerza nuclear débil y, como contraste sobre la simetría entre partículas, qué es la antimateria.

El bosón de Higgs: el caso especial del espín 0

El bosón de Higgs ocupa un lugar aparte porque no es un bosón gauge, sino un bosón escalar: su espín es 0. No transmite una interacción en el sentido habitual; es la excitación cuántica del campo de Higgs, un campo que impregna todo el espacio.

El mecanismo se propuso en 1964, de forma independiente, en tres trabajos: el de Robert Brout y François Englert, el de Peter Higgs y el de Gerald Guralnik, Carl Hagen y Tom Kibble. La idea explica cómo adquieren masa los bosones W y Z sin romper la coherencia matemática de la teoría electrodébil: al acoplarse al campo de Higgs, esas partículas adquieren masa mientras el fotón permanece sin ella.

Conviene precisar el alcance del mecanismo, a menudo exagerado en las divulgaciones. El campo de Higgs da masa a las partículas elementales (los bosones W y Z, los quarks, los leptones cargados), pero no explica la mayor parte de la masa de la materia ordinaria. La casi totalidad de la masa de un protón o un neutrón procede de la energía asociada a la interacción fuerte entre quarks y gluones, no del acoplamiento al campo de Higgs.

El descubrimiento del bosón se anunció el 4 de julio de 2012 en el Gran Colisionador de Hadrones (LHC) del CERN, a partir de los datos de los experimentos ATLAS y CMS, con una masa próxima a 125 GeV/c². Completó la última pieza que faltaba del Modelo Estándar y llevó el Nobel de Física de 2013 a Peter Higgs y François Englert; Robert Brout había fallecido en 2011. Puede leerse más en el bosón de Higgs.

Bosones compuestos, superfluidez y condensados de Bose-Einstein

No todos los bosones son elementales. Una partícula compuesta se comporta como bosón siempre que su espín total sea entero. Los mesones, formados por un quark y un antiquark, son bosones compuestos. También lo es el átomo de helio-4, cuyos constituyentes (dos protones, dos neutrones y dos electrones, todos fermiones) suman un espín total entero.

Ese carácter bosónico del helio-4 está detrás de la superfluidez: por debajo de unos 2,17 kelvin, el helio líquido fluye sin viscosidad apreciable, un fenómeno observado por primera vez hacia 1937. En los superconductores ocurre algo análogo: según la teoría BCS, formulada en 1957 por John Bardeen, Leon Cooper y John Robert Schrieffer, los electrones se emparejan formando los llamados pares de Cooper, que actúan colectivamente como bosones y permiten que la corriente circule sin resistencia.

El caso más puro es el condensado de Bose-Einstein, a menudo descrito como un quinto estado de la materia y predicho por Einstein en 1924-1925 a partir del trabajo de Bose. Al enfriar un gas diluido de bosones hasta temperaturas de nanokelvin, una fracción macroscópica de los átomos cae al mismo estado cuántico de mínima energía y se comporta como una sola entidad coherente. Se logró por primera vez en 1995: Eric Cornell y Carl Wieman con rubidio y, pocos meses después, Wolfgang Ketterle con sodio. Los tres compartieron el Nobel de Física de 2001.

Aplicaciones y preguntas abiertas en torno a los bosones

La capacidad de los bosones para compartir estado tiene usos concretos. El láser funciona porque los fotones, al ser bosones, se acumulan de forma coherente en un mismo modo mediante emisión estimulada, lo que produce luz de una sola frecuencia y fase. Los condensados de Bose-Einstein sirven hoy como banco de pruebas de la física cuántica y como base de sensores, relojes e interferómetros de altísima precisión.

Quedan preguntas abiertas de calado. El gravitón, el hipotético bosón de espín 2 que transmitiría la gravedad, no se ha observado y no forma parte del Modelo Estándar; su búsqueda entronca con el problema, aún sin resolver, de una teoría cuántica de la gravedad. Tampoco se sabe con certeza si el bosón de Higgs es realmente elemental ni si existen otros bosones escalares por descubrir.

Un apunte sobre el ámbito aplicado: los neutrinos, que son fermiones, interactúan con la materia únicamente a través de la gravedad y de la interacción débil, mediada por los bosones W y Z. Neutrino Energy Group, una organización de investigación con sede en Berlín, estudia si la radiación ambiental que atraviesa constantemente nuestro entorno podría inducir corrientes eléctricas aprovechables en materiales multicapa de grafeno y silicio, un enfoque al que denomina neutrinovoltaica. Se trata de investigación en curso, no de un producto disponible ni de un resultado establecido; para el marco físico véanse qué es un neutrino y qué es la neutrinovoltaica.