Bosones W y Z: qué son, propiedades y papel en la fuerza débil
Descubre qué son los bosones W y Z, sus propiedades y su papel clave en la fuerza débil: cargas, espín, descubrimiento y funciones.
Los bosones W y Z son un grupo de partículas elementales que actúan como portadoras de la fuerza débil, una de las cuatro interacciones fundamentales de la naturaleza. Son bosones, lo que quiere decir que tienen un espín entero; en concreto, los bosones W y Z son bosones vectoriales con espín 1. Ambos fueron observados experimentalmente en 1983 por los experimentos UA1 y UA2 en el CERN, descubrimiento que confirmó predicciones del modelo electrodébil y condujo a premios Nobel para sus impulsores.
Propiedades principales
- Masa: son masivos, lo que distingue a la fuerza débil de la fuerza electromagnética (que tiene un fotón sin masa). La masa del bosón W es aproximadamente 80.379 GeV/c² y la del bosón Z aproximadamente 91.188 GeV/c² (valores de referencia del PDG).
- Carga eléctrica: existen dos bosones W con cargas opuestas, el W+ y su antipartícula W–. El bosón Z es neutro y es su propia antipartícula.
- Vida media y alcance: son partículas muy inestables con vidas medias del orden de 10−25 segundos; como son masivos, la interacción que median tiene un alcance extremadamente corto (≈10−18 m), por eso la fuerza débil actúa a distancias subatómicas.
- Acoplamientos: el W medía interacciones cargadas (corrientes cargadas) y puede cambiar el tipo (sabor) de quarks o convertir leptones en neutrinos y viceversa; el Z medía interacciones neutras (corrientes neutras) sin cambiar el sabor.
Rol en la física de partículas
En el marco del modelo estándar, la fuerza débil y la fuerza electromagnética se unifican en la teoría electrodébil basada en el grupo gauge SU(2)L × U(1)Y. Los bosones W± y Z son los bosones gauge asociados a la parte SU(2)L, y su gran masa se explica mediante el mecanismo de Higgs: la ruptura espontánea de simetría otorga masa a W y Z mientras que el fotón permanece sin masa.
El bosón W interviene en procesos de corriente cargada, por ejemplo en la desintegración beta (neutrón → protón + electrón + antineutrino), donde un quark down se transforma en up mediante el intercambio de un W virtual. El bosón Z interviene en interacciones de corriente neutra, observables en dispersión neutrino–material y en desintegraciones del propio Z en pares de leptones o quarks.
Detección y desintegraciones
En los detectores de colisionadores, los W y Z suelen identificarse por sus canales de desintegración leptónicos, relativamente limpios: por ejemplo W → eν o W → μν (una leptón cargado más un neutrino) y Z → e+e− o Z → μ+μ−. Estas firmas permitieron medir con alta precisión sus masas y propiedades acopladas, así como estudiar parámetros fundamentales del modelo estándar (p. ej. elementos de la matriz CKM para cambios de sabor inducidos por W).
Importancia y aplicaciones
El estudio de los bosones W y Z es crucial para validar la estructura electrodébil del modelo estándar y para buscar posibles desviaciones que indiquen nueva física (como dimensiones extra, compositeness o partículas adicionales). Además, procesos mediadas por W y Z son relevantes en física de astropartículas (producción de neutrinos en el Sol, supernovas) y en tecnologías experimentales de detectores de partículas.
Resumen: los bosones W y Z son bosones vectoriales de espín 1, masivos y responsables de la fuerza débil; el W cambia cargas y sabores (existen W+ y W−), mientras que el Z es neutro y es su propia antipartícula. Su descubrimiento y estudio han sido claves para consolidar la teoría electrodébil y seguir buscando física más allá del modelo estándar.
Nombramiento
Los bosones W reciben su nombre de la fuerza débil de la que son responsables. La fuerza débil es la que los físicos creen que es responsable de la descomposición de algunos elementos radiactivos, en forma de desintegración beta. A finales de los años 70, los científicos consiguieron combinar las primeras versiones de la fuerza débil con el electromagnetismo, y la llamaron fuerza electrodébil.
Creación de bosones W y Z
Sólo se sabe que los bosones W y Z se crean con la desintegración beta, que es una forma de desintegración radiactiva.
Decaimiento Beta
La desintegración beta se produce cuando hay muchos neutrones en un átomo. El diagrama simplificado indica que el neutrón corresponde a un protón y a un electrón. Cuando hay demasiados neutrones en el núcleo de un átomo, un neutrón se dividirá y formará un protón y un electrón. El protón se queda donde está y el electrón será lanzado fuera del átomo. La radiación beta resultante es perjudicial para los seres humanos.
Se cree que la fuerza débil es capaz de cambiar el sabor de un quark. Por ejemplo, cuando cambia un quark down de un neutrón en un quark up, la carga del neutrón se convierte en +1, ya que tendría la misma disposición de quarks que un protón. El neutrón de tres quarks con una carga de +1 ya no es un neutrón después de esto, ya que cumple todos los requisitos para ser un protón. Por lo tanto, la desintegración beta hará que un neutrón se convierta en un protón (junto con algunos otros productos finales).
Decaimiento del bosón W
Cuando un quark cambia de sabor, como ocurre en la desintegración beta, libera un bosón W. Por término medio, los bosones W sólo duran 3x10-25 segundos antes de desintegrarse en otras partículas, razón por la que no los habíamos descubierto hasta hace menos de medio siglo. Sorprendentemente, los bosones W tienen una masa de unas 80 veces la de un protón. Tenga en cuenta que el neutrón del que procede tiene casi el mismo peso que el protón. En el mundo cuántico, no es raro que una partícula más masiva provenga de una partícula menos masiva; la masa extra proviene de la energía almacenada a través de la famosa fórmula de Einstein, 
. Una vez transcurridos los 3x10-25 segundos, un bosón W decae en un electrón y un neutrino. Como los neutrinos rara vez interactúan con la materia, podemos ignorarlos a partir de ahora. El electrón es impulsado fuera del átomo a gran velocidad. El protón producido por la desintegración beta permanece en el núcleo del átomo y eleva el número atómico en uno.
Decaimiento del bosón Z
Los bosones Z también están previstos en el Modelo Estándar de la física, que predijo con éxito la existencia de los bosones W. Los bosones Z se descomponen en un fermión y su antipartícula, que son partículas como los electrones y los quarks que tienen un espín en unidades de la mitad de la constante de plancha reducida.
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| Compuesto |
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Este es un diagrama de la desintegración beta. "udd" y "n" se refieren a un neutrón, formado por un quark up y dos quarks down. "udu" y "p" se refieren a un protón, formado por dos quarks up y un quark down. W– se refiere a un bosón W– , que decae en un e– (electrón) y en un ve con una línea encima (un antineutrino electrónico). "t" se refiere al tiempo.
Preguntas y respuestas
P: ¿Qué son los bosones W y Z?
R: Los bosones W y Z son un grupo de partículas elementales.
P: ¿Cuál es el espín de los bosones W y Z?
R: Los bosones W y Z tienen un espín de 0 ó 1, lo que significa que son bosones.
P: ¿Cuándo se descubrieron los bosones W y Z?
R: Ambos se encontraron en experimentos en el año 1983.
P: ¿Qué fuerza crean los bosones W y Z?
R: Juntos, son responsables de una fuerza conocida como "fuerza débil".
P: ¿Por qué se llama fuerza débil?
R: La fuerza débil se llama débil porque no es tan fuerte como la fuerza fuerte.
P: ¿Cuántos tipos de bosón W existen?
R: Existen dos tipos de Bosón W, el normal W+, y su antipartícula, el W -.
P: ¿Existen antipartículas para el Bosón Z?
R: No, el Bosón Z es su propia antipartícula.
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