Bosone (fisica)

In fisica quantistica i bosoni, dal nome del fisico Satyendra Nath Bose, sono le particelle che obbediscono alla statistica di Bose-Einstein e che hanno quindi spin intero, secondo quanto affermato dal teorema spin-statistica.

Sono con i fermioni una delle due classi fondamentali in cui si dividono le particelle. Mentre i fermioni, che hanno spin semi-intero, obbediscono al principio di esclusione di Pauli (secondo il quale un singolo stato quantico non può essere occupato da più di una particella), i bosoni sono liberi d'affollare in gran numero uno stesso stato quantico. La luce laser ne è un caso specifico relativo ai fotoni.

Tutte le particelle elementari mediatrici delle forze fondamentali sono bosoni. Tutte le particelle composte che contengono un numero pari di fermioni sono bosoni.

Bosoni e simmetria

La proprietà di obbedire o meno al principio di esclusione di Pauli si traduce matematicamente nel fatto che i bosoni seguono la statistica di Bose-Einstein mentre i fermioni la statistica di Fermi-Dirac. Le conseguenze sono che i bosoni e i fermioni presentano proprietà diverse di simmetria sotto lo scambio di due particelle: un sistema composto di particelle identiche della classe bosonica si trova sempre in uno stato globale completamente simmetrico sotto lo scambio di due particelle. Un sistema composto di fermioni identici, al contrario, si trova sempre in uno stato anti-simmetrico sotto lo scambio di due fermioni.

Spin dei bosoni

Il teorema spin-statistica lega lo spin delle particelle alla statistica alla quale esse obbediscono. Il teorema enuncia che particelle a spin intero sono necessariamente bosoni, mentre quelle a spin semi-intero sono necessariamente fermioni.

I bosoni nella fisica subnucleare

Per approfondire, vedi fisica subnucleare.

Le particelle elementari del Modello standard: i bosoni occupano l'ultima colonna

In fisica nucleare e subnucleare i bosoni si distinguono in bosoni di gauge, che sono particelle elementari mediatrici di forza, e in mesoni, che sono particelle instabili composte da una coppia di un quark e un antiquark. Particelle composte da un numero più elevato di particelle elementari (come protoni e neutroni) e i nuclei atomici possono comportarsi come bosoni o fermioni in funzione del loro spin totale, ovvero del numero, rispettivamente pari o dispari, di fermioni elementari costituenti.

Le quattro forze fondamentali della natura sono mediate da bosoni di gauge, ovvero l'effetto della forza viene spiegato come lo scambio fra due corpi di bosoni mediatori:

• l'elettromagnetismo è mediato dai fotoni, bosoni di spin pari a 1 senza carica né massa a riposo;
• la forza nucleare debole è mediata dai bosoni W e Z, di spin pari ad 1, la cui carica è unitaria per i W (+1 o −1) mentre gli Z sono privi di carica. I W possiedono massa a riposo di 81 GeV mentre il bosone Z ha una massa a riposo di 93 GeV.
• la forza nucleare forte è mediata dai gluoni, bosoni di spin pari a 1 senza carica elettrica né massa a riposo;
• la gravità è mediata, secondo alcune teorie, dai gravitoni, bosoni di spin pari a 2 con carica e massa a riposo nulle; la loro esistenza è però solo ipotetica e non è ancora stata dimostrata.

Tali particelle sono i quanti delle interazioni fondamentali, identificandosi con l'interazione stessa, che avviene dunque per quantità discrete. Mentre la radiazione elettromagnetica, l'interazione rappresentata dai fotoni, è esperienza quotidiana per chiunque, l'osservazione dei bosoni W e Z (prodotti negli acceleratori di particelle ad esempio) è possibile tramite la ricostruzione della loro massa invariante. Evidenze ancora più indirette si hanno dell'esistenza dei gluoni, mentre il gravitone è tuttora una particella ipotetica. L'interazione gravitazionale infatti non è ancora stata "quantizzata" ed esistenza e natura del relativo quanto, il gravitone appunto, sono ancora oggetto di studio.

I mesoni si distinguono in base al loro spin in pseudoscalari (con spin 0 ed energia più bassa), quando quark e antiquark hanno spin opposto, e vettori (spin 1), quando quark e antiquark hanno spin parallelo.

I bosoni nella fisica della materia

Per approfondire, vedi fisica della materia.

Esempi di bosoni in fisica della materia sono:

• gli atomi di elio liquido
• le coppie di Cooper
• i fononi
• gli eccitoni

La caratteristica dei bosoni prevista dalla statistica di Bose-Einstein, di potersi trovare numerosi in uno stesso stato quantistico conduce alla manifestazione di fenomeni eclatanti quali la condensazione di Bose-Einstein. Un condensato di Bose-Einstein è un particolare stato della materia in cui tutte le particelle sono confinate nel medesimo stato quantistico. Fenomeni legati a questa proprietà si manifestano nella materia come alcuni fenomeni quali la superfluidità dell'isotopo 4 dell'elio, la perfetta conduttività dei superconduttori.

Voci correlate

• Equazione di Klein-Gordon
• Lista delle particelle
• Bosone pseudoscalare
• Bosone vettore
• Bosoni vettori assiali
• Bosone di gauge
• Bosone di Higgs
• Bosoni W e Z
• Bosoni X e Y
• Legge di conservazione del numero barionico
• Forza
• Interazione nucleare

Collegamenti esterni

• (EN) IUPAC Gold Book, "boson"

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