Los bosones W y Z

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 quarkdown 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