Bosones Escalares (Zoológico de Partículas Subatómicas)

Bosones Escalares

Los bosones escalares son una clase particular de bosones que tienen un espín entero y cero momento angular intrínseco (espín). A diferencia de los bosones vectoriales, que tienen un espín de 1, los bosones escalares tienen un espín de 0. El nombre "bosón escalar" surge de la Teoría cuántica de campos. Se refiere a las propiedades de transformación particulares bajo una Transformación de Lorentz.

Varias partículas compuestas conocidas son bosones escalares, por ejemplo, la partícula alfa y el pion. Los mesones escalares se distinguen entre el escalar y el pseudoescalar, que se refiere a sus propiedades de transformación bajo paridad.

El único bosón escalar fundamental del Modelo estándar de física de partículas es el bosón de Higgs descubierto en 2012 en el Gran Colisionador de Hadrones (LHC) en el CERN.  Hay otros bosones escalares fundamentales hipotéticos, como el inflatón.

Gluón (Zoológico de Partículas Subatómicas)

Gluón (g1...g8) & (g9)

El gluón es una partícula subatómica elemental que actúa como el portador de la fuerza nuclear fuerte, una de las cuatro fuerzas fundamentales del universo. Su función es mantener unidos a los quarks dentro de partículas como protones y neutrones.

El gluón es al color lo que el fotón es a la carga eléctrica. Así como el fotón transmite la fuerza electromagnética entre partículas cargadas, el gluón transmite la fuerza fuerte entre quarks.

¿Qué es el "color" en cromodinámica cuántica (QCD)?

En física cuántica, el "color" no se refiere al color visual, sino a una propiedad cuántica de los quarks y gluones.

Hay tres "colores" de carga: rojo, verde y azul, y sus opuestos: antirrojo, antiverde y antiazul.

Características generales del gluón:

1) Tipo: Bosón gauge (de espín 1).

2) Carga eléctrica: 0 (es neutro).

3) Espín: 1.

4) Masa: 0 (al menos en el modelo estándar, aunque no pueden aislarse para medirla directamente).

5) Vida libre: Nunca se encuentran solos debido al confinamiento de color.

 

Observaciones

• Mantienen unidos a los quarks dentro de hadrones como protones y neutrones.

• Interactúan entre sí, a diferencia de los fotones, lo que hace a la fuerza fuerte mucho más compleja.

• Son responsables de más del 90% de la masa del protón, no por su masa propia, sino por la energía de interacción que generan entre quarks.

Tipos de gluones existentes :

Aunque podría parecer que debería haber 9 combinaciones de color-anticolor (3 colores × 3 anticolores), sólo hay 8 gluones independientes.

Las combinaciones de color-anticolor no son todas linealmente independientes. Una de las 9 combinaciones sería un estado neutro de color, que no participa en la interacción fuerte, y por tanto no es un gluón real.

Las 8 combinaciones de gluones

Estas combinaciones se expresan como superposiciones cuánticas de color y anticolor. No se nombran como partículas individuales, sino como combinaciones específicas lineales que representan los 8 generadores de SU(3). 

Estos no son simples combinaciones como “rojo-antiverde”, sino estados cuánticos mezclados con coeficientes complejos y simetrías específicas.

Lo importante:

• Cada uno de estos 8 gluones es un estado específico cuántico.

• No tienen nombres separados como los quarks (no existe "gluón rojo" o "gluón azul").

• En la práctica, estos gluones nunca se observan directamente, ya que no pueden existir libremente por el confinamiento del color.

• Lo que se detecta en experimentos son los efectos de la interacción fuerte que ellos median, por ejemplo, en colisiones de protones.

Gluón 9

El "gluón número 9" o gluón neutro es una idea teórica que surge del análisis matemático del grupo de simetría SU(3), pero no corresponde a una partícula física real dentro del modelo estándar de la física. 

$$\mathrm{3 }\text{colores }\times 3\text{ anticolores }= 9$$

La novena combinación corresponde a un estado simétrico y neutro de color, también llamado:

🔸 Gluón color singlete
🔸 Estado singlete de SU(3)
🔸 Estado “blanco” o “neutro” de color

Este estado es análogo al fotón en el electromagnetismo: es una combinación igual de los tres colores:

Es invariante bajo transformaciones de SU(3), lo que significa que no participa en la interacción fuerte y no intercambia color entre quarks. En otras palabras, es “invisible” a la cromodinámica cuántica.

¿Por qué no es un gluón real?

El modelo estándar de la física basa la fuerza fuerte en el grupo SU(3), no en U(3).

• El SU(3) tiene 8 generadores → 8 gluones.

• El U(3) tendría 9 generadores → 9 “gluones”, pero uno de ellos sería un bosón extra sin interacción de color.

Si se incluyera este gluón blanco (singlete), violaría las observaciones experimentales:

• Nunca se ha observado una partícula que se comporte como un gluón neutro sin color.

• El confinamiento del color exige que no existan portadores que puedan escapar al intercambio de color.

En algunas extensiones teóricas (como teorías de gran unificación o modelos con U(3) en lugar de SU(3)), podría surgir una partícula similar al gluón neutro, pero estas ideas aún no han sido confirmadas experimentalmente.

O sea, el gluón 9 :

• No participa en la interacción fuerte.

• No tiene color.

• Nunca ha sido observado.

Solo existen 8 gluones físicos funcionales, correspondientes a los 8 generadores del grupo SU(3).

En resumen, el gluón es la partícula que transporta la fuerza fuerte, manteniendo unidos a los quarks. Existen 8 tipos distintos de gluones, cada uno con una combinación específica de color y anticolor. Son fundamentales para la existencia de toda la materia nuclear estable.

Bosón Z⁰ (Zoológico de Partículas Subatómicas)

Bosón Z0

El bosón Z (también llamado Z⁰) es una partícula elemental que actúa como mediadora de la interacción nuclear débil, una de las cuatro fuerzas fundamentales del universo. Se llama Z⁰ porque tiene carga eléctrica neutra.

Características del bosón Z⁰:

1. Carga eléctrica: 0 (es neutro).

2. Espín: 1 (lo que lo convierte en un bosón vectorial).

3. Masa: aproximadamente 91.2 GeV/c², más pesado que los bosones W⁺ y W⁻.

4. Vida media: extremadamente corta (~3 × 10⁻²⁵ segundos).

5. Interacción: participa en interacciones neutras (no cambia la carga de las partículas que interactúan).

El bosón Z⁰ permite que dos partículas interactúen sin que ninguna cambie su tipo ni su carga. Por ejemplo:

• Un neutrino puede interactuar con un electrón intercambiando un Z⁰, pero sin cambiarse en otra partícula.

• A diferencia del bosón W, no transforma partículas (como un neutrón en un protón), sino que interactúa de forma más sutil.

$$\mathrm{<span\; style="font-family:\; verdana;"><br></span>}$$

En resumen, el bosón Z⁰ es una partícula sin carga eléctrica, muy masiva, que media interacciones neutrales dentro de la fuerza nuclear débil. Es esencial para entender cómo interactúan partículas como los neutrinos, y forma parte del grupo de partículas mediadoras junto con los bosones W⁺ y W⁻.

Bosón W+ (Zoológico de Partículas Subatómicas)

Bosón W+

El bosón W⁺ es una partícula fundamental que actúa como portadora de la interacción nuclear débil, una de las cuatro fuerzas fundamentales del universo. Es la versión con carga positiva del bosón W (la otra es el bosón W⁻, con carga negativa).

Características del bosón W+:

1. Tipo de partícula:
   Es un bosón vectorial, es decir, una partícula con espín 1 que media fuerzas (como el fotón con el electromagnetismo, pero en este caso, en la interacción débil).

3. Carga eléctrica:
   Tiene carga positiva (+1), igual en magnitud pero opuesta a la del electrón.

4. Masa:
   Es muy pesado para una partícula subatómica:

   • Su masa es de aproximadamente 80.4 GeV/c², unas 80 veces la masa de un protón.
     Esto limita el alcance de la interacción débil, porque partículas tan masivas solo actúan a distancias muy cortas.

5. Vida media:
   Es extremadamente inestable y vive apenas unos 3 × 10⁻²⁵ segundos antes de desintegrarse.

El bosón W⁺ permite que ocurran ciertos tipos de transformaciones de partículas mediante la interacción débil.
Por ejemplo, en la desintegración beta positiva, un protón se transforma en un neutrón emitiendo un bosón W⁺, que luego se desintegra en un positrón (e⁺) y un neutrino electrónico (νₑ):

$$p \rightarrow n + W^+ \rightarrow n + e^+ + \nu_e$$

​

En resumen, el bosón W⁺ es una partícula con carga positiva y gran masa, que media la interacción débil y permite que ciertas partículas cambien de tipo (por ejemplo, un protón en un neutrón). Es esencial en procesos como la desintegración beta y las reacciones nucleares del Sol.