I bosoni sono le particelle elementari che permettono l’azione di tre delle quattro forze fondamentali della natura. Hanno catalizzato per anni l’attenzione dei ricercatori grazie al loro fondamentale ruolo nella fisica subatomica.
IN BREVE
In fisica subnucleare, ossia quella branca della fisica che indaga la natura nelle sue componenti più essenziali, si tratta con le cosiddette particelle elementari. Queste particelle sono la componente più piccola di tutto ciò che siamo e che ci circonda. Non c’è niente al loro interno, sono loro i mattoncini più piccoli sui quali è costruito l’universo. Le particelle elementari si dividono in fermioni e bosoni e in quest’articolo parleremo proprio di questi ultimi.
A cosa servono i bosoni?
Ci si è sempre chiesti come le particelle interagissero tra di loro e quali forze le legassero insieme e si è arrivati a comprendere che il nostro universo è dominato da quattro forze fondamentali: l’interazione debole, l’interazione forte, l’interazione elettromagnetica e l’interazione gravitazionali. Tre di queste sono state riunite sotto il Modello Standard (MS) che descrive queste forze e le particelle ad esse connesse. Queste tre sono l’interazione debole, quella elettromagnetica e quella forte, che si occupano di descrivere il mondo microscopico. Le prime due sono riunite sotto il nome di forza elettrodebole e in seguito state unificate con la forza nucleare forte. Ad oggi, gran parte degli sforzi dei fisici particellari di tutto il mondo consiste nel trovare il modo di unificare la forza gravitazionale con le altre, ossia di riuscire a raccordare il mondo microscopico, governato dalle leggi della meccanica quantistica, con quello macroscopico, descritto dalla relatività generale.
Ma queste forze come agiscono? È qui che entrano in gioco i bosoni, detti di gauge: queste particelle fanno da mediatori, essi vengono quindi scambiati nelle interazioni tra altre particelle. Ognuna delle quattro forze fondamentali ha il suo bosone mediatore: il gluone g per la forza forte, il fotone \(\gamma\) per quella elettromagnetica, i bosoni \(W^{\pm}\) e Z. Per la verità ancora non si sa nulla circa l’esistenza dell’eventuale bosone che media le interazioni gravitazionali, ossia il gravitone. Si completa il quadro di queste particolari particelle introducendo quello che forse è il più famoso dei bosoni: il bosone di Higgs. Perché è così importante? Perché è quello che fornisce massa alle particelle elementari massive attraverso un meccanismo (meccanismo di Higgs, per l’appunto) che prevede una, cosiddetta rottura spontanea della simmetria di campo. Ma del meccanismo di Higgs ne parleremo più nel dettaglio in un prossimo articolo.
Come fanno i bosoni a mediare le interazioni?
Quando due particelle interagiscono, a seconda delle loro proprietà e caratteristiche, seguono le leggi di una delle interazioni fondamentali. Prendiamo ad esempio la diffusione elettrone-positrone, queste interagiscono tramite interazione elettromagnetica e dunque il bosone che media l’interazione è il fotone, come si può vedere nel diagramma, detto diagramma di Feynman, qui sotto. Questi, ognuno con il proprio momento, si scambiano il fotone mediatore cambiando direzione.
Consideriamo ora i gluoni questi sono i bosoni responsabili dell’attrazione di alcuni tipi di fermioni, i quark, nelle particelle più grandi, da qui il nome che deriva dal termine inglese glue (colla), e non si possono diffondere liberamente, al contrario dei fotoni. Questo è dovuto a una particolare proprietà dell’interazione forte che si chiama confinamento che consiste nell’impossibilità di propagarsi liberamente per alcune particelle che possiedono una determinata proprietà quantistica, colore, non nulla. Si possono solo osservare degli agglomerati di gluoni che in totale hanno colore nullo e si chiamano glueballs, letteralmente “palle di colla”. Quando due particelle scambiano un gluone queste cambiano il loro colore.
Parliamo ora dei bosoni W e Z. I primi hanno carica opposta e sono uno l’antiparticella dell’altro, ossia la particella equivalente di antimateria, mentre il bosone Z è neutro. I mediatori dell’interazione debole sono delle particelle estremamente massive e questo fa sì che il range d’interazione debole sia corto, al contrario della forza elettromagnetica che ha un raggio d’azione infinito poiché il fotone è privo di massa. Anche il gluone è privo di massa ma il suo raggio non è infinito a causa del confinamento. I processi in cui sono coinvolti i bosoni \(W^+\) e \(W^-\) sono detti di carica debole in quanto le particelle coinvolte in questo scambio modificano la loro unità di carica elettrica e possono cambiare anche il loro sapore, l’insieme delle caratteristiche quantistiche di una particella. Il bosone Z invece ha a che fare con i cosiddetti processi di carica debole neutra in cui le particelle non cambiano né la carica né il sapore.
Bosoni vs fermioni
Nel primo paragrafo di questo articolo abbiamo detto che i bosoni di gauge costituiscono uno dei due gruppi di particelle elementari: l’altro gruppo sono i fermioni. Ma che differenza c’è tra fermioni e bosoni? La differenza sostanziale sta nello spin. Questo è un numero quantico associato al momento angolare. Tuttavia è solo un’analogia dato che il momento angolare è una grandezza fisica dei corpi estesi che ruotano mentre le particelle di cui stiamo trattando sono puntiformi. L’associazione viene fatta poiché il momento angolare e lo spin hanno le stesse dimensioni e quest’ultimo richiama la rotazione della particella attorno al proprio asse. Mentre i bosoni hanno spin intero, 1 quelli di gauge detti anche vettoriali e 0 quello di Higgs detto anche scalare, i fermioni hanno spin semintero, ossia \(\frac{1}{2}\). Ma cosa comporta questa differenza? Consideriamo uno stato nell’accezione della teoria di campo quantistico, ossia una configurazione che descrive le particelle presenti in un dato sistema. Uno degli effetti più evidenti della differenza di spin è il cosiddetto principio di esclusione di Pauli al quale i fermioni obbediscono mentre i bosoni no. Due fermioni identici non possono occupare simultaneamente lo stesso stato quantico; è invece possibile con due bosoni identici. Questo principio è dunque responsabile della configurazione atomica degli elementi poiché due elettroni, essendo fermioni, non possono trovarsi nello stesso stato e si devono disporre su più livelli.
In definitiva i bosoni, senza i quali le particelle non potrebbero interagire, grazie al loro ruolo così importante e grazie alle enormi sfide che si portano dietro sono tra gli elementi più affascinanti e intriganti da studiare.
Fonte
- Modern Particle Physics – Mark Thomson
- Introduction To Elementary Particle Physics – Alessandro Bettini