V.7.4. Bosonii – particule elementare.

Bosonii sunt particule elementare de spin întreg (0, 1, 2, 3,...) care mediază interacțiunile dintre fermioni.

Bosonii, spre deosebire de fermioni, nu se supun principiului de excluziune al lui Pauli, adică un număr nelimitat de particule pot ocupa aceeaşi stare cuantică în acelaşi timp.

Se consideră că fermionii (electronii, quarcii) sunt cărămizile Universului, iar bosonii mijlocesc interacțiunea dintre fermioni.

Bosonii sunt responsabili de interacțiunea nucleară slabă, care la rândul ei este responsabilă pentru radioactivitate și care acționează asupra tuturor particulelor de materie cu spin semiîntreg (de exemplu protonii sau neutronii), dar nu acționează asupra particulelor cu spin întreg (cum sunt fotonii sau gravitonii).

În Modelul Standard, există patru tipuri de bosoni: fotonul, gluonul și bosonii W și Z.

Bosonul Higgs a fost descoperit la CERN în anul 2012, iar gravitonul este încă un boson teoretic.

Tabel cu bosonii fundamentali

1. Fotonul (cuanta de lumină) este o particulă elementară responsabilă pentru toate fenomenele electromagnetice. El mediază interacțiunea electromagnetică dintre quarcii sau leptonii încărcați cu sarcină electrică. Toate radiațiile electromagnetice se compun din fotoni. Masa de repaus a acestuia este totdeauna zero, având viteza luminii prin vid c = 3 ∙ 10⁸ m/s, aceeași în toate sistemele de referință.

Fotonii sunt energie, conținută în câmpuri magnetice şi electrice variabile în timp şi spațiu.

Când este absorbit, fotonul transmite materiei energia, impulsul și momentul său cinetic. Energia (E) unui foton depinde numai de frecvența lui ν, conform relației:
E = h ∙ ν

h este constanta lui Planck.

Impulsul p asociat unui foton de energie E este:

Ca toate particulele elementare, fotonii au atât proprietăți de corpuscul, cât și de undă. În general, când fotonii interacționează cu materia, ei se comportă preponderent ca particule (corpusculi), iar în timpul propagării libere se comportă ca unde.

2. Bosonii W și Z mediază interacțiunea nucleară slabă dintre quarci și leptoni.

Bosonii sunt particule elementare care au spinul întreg. Au fost denumiți după fizicianul bengalez Satyendra Nath Bose.

Descoperirea experimentală a bosonului W (simbolul W provine de la cuvântul englezesc weak, care înseamnă slab) a avut loc în 1983, în acceleratorul de particule Super Proton Synchrotron (Super Sincrotronul de Protoni) din cadrul laboratorului CERN.

Bosonul W⁺ (încărcat pozitiv) are ca antiparticulă bosonul W^- (încărcat negativ), iar bosonul Z nu are sarcină electrică. Sunt particule foarte masive, fiecare dintre ele fiind de 80-90 de ori mai grele decât un proton.

Un exemplu în care bosonul W mediază forța nucleară slabă este reacția de dezintegrare nucleară a neutronului, numită dezintegrare beta. Cum neutronul este o particulă compusă (udd), quarcii acestuia interacționează.

Neutronul se dezintegrează într-un proton, electron, şi un antineutrino :
n⁰ → p⁺ + e^- + ṽ_e

3. Gluonii (de la cuvântul "glue", care înseamnă lipici) unesc quarcii între ei în barioni (protoni, neutroni) sau în mezoni.

Gluonii au masa de repaus nulă, spinul 1 și sunt neutri din punct de vedere electric. Sunt particule elementare care intermediază interacțiile tari dintre quarci, fiind responsabili pentru forța nucleară tare, implicit și pentru stabilitatea nucleelor atomice.

Un quarc își schimbă culoarea în urma emisiei sau absorbției unui gluon virtual.

Există opt specii de gluoni, care mediază forța nucleară tare. Șase dintre acești gluoni sunt etichetați ca perechi de culori și anticulori (de exemplu, un gluon poate transporta albastru și antiroșu). Celelalte două specii sunt un amestec mai complicat de culori și anticulori.

În urma interacțiunii dintre un quarc și un antiquarc se formează un gluon virtual.

Nu există gluoni liberi, aceștia existând doar sub forma unor particule virtuale care apar la interacțiunea dintre doi quarci sau un quarc și un antiquarc.

În anul 1980 au fost detectate jeturi de gluoni produși în urma interacțiunii dintre quarci, în acceleratorul cu electroni-pozitroni PETRA din Hamburg.

4. Bosonul Higgs, numit așa după fizicianul britanic Peter Higgs și supranumit „particula lui Dumnezeu” este o particulă elementară din familia bosonilor cu masa cuprinsă între 125-127 GeV/c², cu paritate +1 şi spin 0, adică este prima particulă scalară descoperită vreodată. Ea se ivește ca o excitație cuantică a aşa-numitului câmp Higgs, un câmp care este prezent pretutindeni în Univers, iar în acest câmp există particule precum bosonii care-i poartă numele.

Cercetătorii din cadrul laboratorului CERN din Elveția au descoperit experimental în 2012 bosonul Higgs, iar identificarea lui a fost confirmată la 14 martie 2013, cu un grad de certitudine de 99,9999%.

Bosonul Higgs se consideră singura particulă elementară cunoscută cu spin zero, ceea ce o face foarte specială. Un spin de valoarea 1 (cum au toți bosonii elementari cunoscuți) înseamnă că bosonul este o particulă vectorială, ceea ce înseamnă că ar fi descrisă în orice moment de trei numere. De exemplu, pentru particula de lumină, fotonul, acestea ar fi direcția de mișcare şi direcțiile de oscilație a câmpului electric şi magnetic, care ar fi perpendiculare pe direcția de mișcare. Dar un spin zero ar înseamna că particula este scalară, adică este caracterizată de un singur număr, anume masa particulei.

Bosonul Higgs este o particulă esențială în descrierea Modelului Standard, pentru a explica de ce forţa slabă este aşa de slabă şi mecanismul care dă masă particulelor.

Câmpul Higgs acționează în spațiul vid, deoarece bosonul Higgs nu e dependent nici de materie, nici de forţă. Acest câmp ar putea fi imaginat ca o energie a spațiului pur, care transformă energia spațiului în materie (cea care are masă), pentru că bosonul Higgs interacționează cu absolut orice. Interacțiunea înseamnă schimb de energie, iar energia şi masa sunt interschimbabile (E = m ∙ c²) astfel încât, conform legii acțiunii și reacțiunii, bosonul Higgs nu doar dă masă altor particule, dar capătă şi el masă de la acestea.

Descoperirea bosonului Higgs certifică existenţa câmpului Higgs și validează Modelul Standard. El poate descifra tainele energiei întunecate, energia care accelerează depărtarea galaxiilor și expansiunea Universului.

Bosonul Higgs are o durată de viaţă de 1,56 ∙ 10^-22 s, adică se descompune prea repede pentru a fi captat, putându-se observa numai descompunerea sa.

În 28 august 2018, în acceleratorul ATLAS din cadrul Large Hadron Collider (CERN), în urma coliziunii a doi protoni de înaltă energie a rezultat bosonul Higgs, care s-a dezintegrat într-o pereche de quarci bottom.

🔦 Observație

Fotonii (care mediază interacțiunea electromagnetică), bosonii W⁺ şi W^– şi Z⁰ (care mediază forța nucleară slabă) și gluonii (care mediază forța nucleară tare) sunt considerați bosoni gauge, care mediază ("poartă") forțele acestor interacțiuni fundamentale.

Bosonul Higgs este singurul boson din Modelul Standard care nu este un boson gauge.

5. Gravitonii sunt bosoni gauge, adică particulele care mediază ("poartă") forțele asociate gravitației. Se presupune că şi gravitația se manifestă prin intermediul schimbului de bosoni, asemănător celorlalte trei forţe fundamentale, descrise de Modelul Standard. La ora actuală, gravitonii sunt particule ipotetice.