Bosones gauge: definición, tipos y fuerzas fundamentales en el Modelo Estándar
Descubre qué son los bosones gauge, sus tipos (W, Z, fotón, gluón), y cómo transmiten las fuerzas fundamentales en el Modelo Estándar.
Los bosones gauge son las partículas mediadoras de las interacciones fundamentales descritas por simetrías de calibre en la teoría cuántica de campos. En el Modelo Estándar de la física de partículas, los bosones gauge median las tres fuerzas fundamentales incluidas en el modelo: la fuerza electromagnética, la fuerza débil y la fuerza fuerte. A continuación se presentan los bosones gauge más relevantes del Modelo Estándar:
- Los bosones W y Z, portadores de la fuerza débil
- Los gluones, que llevan la fuerza fuerte
- Los fotones, que transportan la fuerza electromagnética
Características generales
Todos los bosones gauge son bosones, lo que significa que obedecen la estadística de Bose–Einstein y, por tanto, dos o más de ellos pueden ocupar el mismo estado cuántico simultáneamente, a diferencia de los fermiones. En general, los bosones tienen espín entero (0, 1, 2, ...). En particular, los bosones gauge del Modelo Estándar son bosones de espín 1 (vectores). El hipotético gravitón, asociado a la gravedad, sería un bosón de espín 2 si existiera.
Detalles por interacción
Fuerza electromagnética — fotón: El fotón es la partícula mediadora de la interacción electromagnética. Es una partícula sin masa y de largo alcance (la fuerza electromagnética tiene alcance infinito en ausencia de medios). Interactúa con la carga eléctrica y su acoplamiento está caracterizado por la constante de estructura fina.
Fuerza débil — W± y Z: Los bosones W y Z median la fuerza débil, responsable de procesos como la desintegración beta. A diferencia del fotón, los bosones W± y Z son masivos (aproximadamente 80 GeV/c² para W y 91 GeV/c² para Z) y por ello la fuerza débil es de muy corto alcance. En el Modelo Estándar estos bosones surgen de la simetría electrodébil (grupos U(1)×SU(2)) y, tras la ruptura espontánea de simetría, la mezcla de los campos da lugar al fotón y al Z.
Fuerza fuerte — gluones: Los gluones son los mediadores de la fuerza fuerte, descrita por la cromodinámica cuántica (QCD) y el grupo de simetría SU(3). Existen ocho tipos de gluones asociados a los generadores del grupo SU(3). Los gluones son sin masa en la teoría, pero la interacción es confinante: los gluones y los quarks no se observan libremente a bajas energías, sino en estados ligados (como hadrones). La fuerza fuerte es dominante a distancias del orden del tamaño del núcleo atómico.
Origen en las simetrías de calibre
En el Modelo Estándar, cada interacción fundamental (excepto la gravedad) se relaciona con una simetría de gauge local:
- U(1)_Y produce el campo hipercargado que, tras la ruptura electrodébil, contribuye al fotón.
- SU(2)_L genera tres campos que, tras mezclar con U(1)_Y, dan los bosones W± y Z.
- SU(3)_C da lugar a ocho campos gluónicos.
Interacción con el campo de Higgs y la masa
Se cree que los bosones gauge interactúan con el campo de Higgs. El mecanismo de Higgs (o ruptura espontánea de la simetría electrodébil) explica por qué algunos bosones gauge, como los W y Z, adquieren masa mientras que otros, como el fotón, permanecen sin masa. El propio bosón de Higgs es un bosón escalar (espín 0) y su descubrimiento en 2012 apoyó fuertemente este mecanismo.
Gravedad y el gravitón
La gravedad no está incluida en el Modelo Estándar; su descripción cuántica aún es un problema abierto. La partícula gauge teórica asociada a la gravedad se denomina gravitón y, de existir, sería un bosón de espín 2. Hasta ahora no se dispone de evidencia experimental directa de gravitones ni de una teoría cuántica de la gravedad plenamente consistente con la mecánica cuántica y la relatividad general.
Observación experimental y evidencia
Los bosones W y Z fueron descubiertos experimentalmente en 1983 en el CERN; los gluones fueron inferidos a través de eventos de jets en colisionadores (confirmando la radiación de gluones) y el fotón es la partícula mediadora del electromagnetismo ampliamente observada en experimentos y en la vida cotidiana. Las propiedades medidas de estos bosones (masas, acoplamientos, decaimientos) coinciden con las predicciones del Modelo Estándar dentro de las precisiones experimentales actuales.
Preguntas abiertas y extensiones
Aunque el Modelo Estándar explica con éxito las interacciones mediadas por bosones gauge, quedan preguntas sin resolver: la inclusión de la gravedad, la naturaleza de la materia oscura, la jerarquía de masas y si existen bosones gauge adicionales (por ejemplo, bosones Z' en teorías más allá del Modelo Estándar). La búsqueda de nuevas simetrías de calibre y de desviaciones en las propiedades de los bosones gauge es un área activa de investigación experimental y teórica.
El Modelo Estándar de las partículas elementales Los bosones de galgas están en la cuarta columna en rojo
Preguntas y respuestas
P: ¿Qué son los bosones de galga?
R: Los bosones gauge son partículas portadoras de tres de las cuatro fuerzas fundamentales del Modelo Estándar de la física de partículas.
P: ¿Cuántos tipos de bosones de gauge hay?
R: Hay cuatro tipos de bosones de gauge en el Modelo Estándar de la física de partículas.
P: ¿Qué bosones gauge son portadores de la fuerza débil?
R: Los bosones W y Z son los portadores de la fuerza débil.
P: ¿Qué bosones gauge transportan la fuerza fuerte?
R: Los gluones transportan la fuerza fuerte.
P: ¿Qué bosones de calibre transportan la fuerza electromagnética?
R: Los fotones transportan la fuerza electromagnética.
P: ¿Cómo se llama el bosón de gauge teórico de la gravedad?
R: El bosón de gauge teórico de la gravedad se llama gravitón.
P: ¿Cuál es el valor de espín de los bosones de gauge?
R: Los bosones gauge tienen un espín de 0, 1 ó 2.
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