Bosones y estadística de Bose-Einstein

    Reciben la denominación de bosones, nombre otorgado en honor al científico indio Satyendra Nath Bose, unas partículas de espín entero que cumplen las reglas de la llamada estadística de Bose-Einstein. Según los fundamentos de esta estadística, los bosones son partículas elementales que no verifican el principio de exclusión de Pauli, que explicita que no puede haber dos partículas de la misma clase que compartan un mismo estado cuántico.

    Las partículas que cumplen el principio de exclusión de Pauli se denominan fermiones y siguen las reglas de la denominada estadística de Fermi-Dirac. Un ejemplo característico de fermión es el electrón, para cuyo caso Wolfgang Pauli postuló su principio: en un átomo, no puede haber dos electrones con los mismos números cuánticos; por ello, en un mismo orbital atómico sólo pueden coexistir dos electrones, que han de tener espín opuesto.

    A diferencia de los fermiones, que son los integrantes básicos de la materia, los bosones son partículas de fuerza, cuya acción transmite las llamadas fuerzas fundamentales (gravitatoria, electromagnética, de interacción nuclear fuerte y de interacción nuclear débil) que mantienen unidas a las partículas materiales (fermiones). De esta manera, los intercambios de ciertos bosones, los fotones, explicarían las interacciones electromagnéticas, mientras que la fuerza de interacción nuclear débil estaría fundamentada en los bosones W (weak, en inglés, débil) y Z (zero, en inglés, cero).

    Con respecto a estos últimos, hay dos tipos de bosones W, llamados W+ y el W-. Con masas iguales e importantes y cargas elementales y de signo opuesto, por lo que puede decirse que uno es la antipartícula del otro. Por su parte, los bosones Z tienen carga nula.

    La fuerza de interacción fuerte queda explicada por una teoría, llamada cromodinámica cuántica. Esta teoría define unos nuevos bosones, denominados gluones, que son portadores de dicha fuerza fundamental. Los gluones no poseen masa ni carga eléctrica, pero sí una “carga de color”, que puede darse en varias formas bautizadas convencionalmente como rojo, azul y verde. De esta manera, la interacción fuerte queda explicada por una relación, llamada grupo gauge SU (3), que determina las transformaciones que pueden experimentar los quarks (partículas fermiónicas elementales que conforman los protones y los neutrones).

    Por otra parte, se ha postulado la existencia teórica de un bosón como sustento de la fuerza gravitatoria, siempre presente entre dos masas, al que se ha denominado gravitón. Se trataría de una partícula bosónica, siempre atractiva, presente en cantidades ingentes (prácticamente, ilimitadas) y de naturaleza muy similar al fotón. Su existencia, sin embargo, nunca ha sido comprobada por resultados experimentales.

    Según el modelo estándar de partículas y la teoría de cuerdas, los bosones son imprescindibles para la cohesión de la materia. Al igual que los gluones (de glue, pegar en inglés) “pegan” los componentes de los núcleos atómicos, que en caso contrario se disgregarían, sin los fotones no sería posible mantener unidos los electrones a los átomos. Así pues, la naturaleza conocida es posible únicamente por una compleja y estricta interacción entre partículas bosónicas (de “fuerzas”) y fermiónicas (de “materia”).

    Como se ha expuesto, los bosones no cumplen el principio de exclusión de Pauli. Por ello, es posible compactar en un mismo estado cuántico, por ejemplo, un número muy elevado de fotones, como sucede en un haz de luz láser. En virtud de ello, los bosones pueden dar lugar a un estado de agregación de la materia, llamado condensado de Bose-Einstein, que sólo se produce en determinados materiales sometidos a muy bajas temperaturas. Las ideas iniciales sobre este modelo físico fueron introducidas por Bose, hacia 1920, cuando intentaba determinar ciertos comportamientos de los fotones. En 1924, Einstein generalizó los planteamientos del científico indio para los restantes tipos de bosones.