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La barrera de Coulomb o barrera culombiana, denominada a partir de la ley de Coulomb, nombrada así por el físico Charles-Augustin de Coulomb (1736-1806), es la barrera de energía producida por la interacción electrostática que el núcleo atómico debe superar para experimentar una reacción nuclear.[1] Esta barrera de energía es proporcionada por la energía potencial electrostática:
donde:
- k es la constante de Coulomb = 8.9876×109 N m² C−2;
- ε0 es la permeabilidad en el vacío;
- q1, q2 son las cargas de las partículas que interactúan;
- r es el radio de interacción.
Un valor positivo de U es debido a una fuerza de repulsión, así que las partículas que interactúan están a mayores niveles de energía cuando se acercan. Un valor negativo de la energía potencial U indica un estado de ligadura, debido a una fuerza atractiva.
La barrera culombiana aumenta con el número atómico, o sea, con el número de protones del núcleo en colisión:
donde e es la carga elemental, 1,602 176 53×10−19 C, y Zi los correspondientes números atómicos.
Para superar este obstáculo, el núcleo tiene que colisionar a altas velocidades, para que las energías cinéticas permitan que opere la interacción nuclear fuerte y una las partículas.
Según la teoría cinética de los gases, la temperatura de un gas es solo una medida de la velocidad media de las partículas en ese gas. Para gases habituales, la distribución de Maxwell-Boltzmann proporciona la fracción de partículas que se mueven a una determinada velocidad como función de la temperatura, y así podemos obtener la fracción de partículas que se mueven a velocidades suficientemente altas para rebasar la barrera de Coulomb.[2]
En la práctica, las temperaturas necesarias para superar la barrera de Coulomb resultan ser menores de las esperadas debido al efecto túnel cuántico, como fue establecido por Gamow.[1][2][3] La consideración de barrera-penetración mediante el efecto túnel y la distribución de velocidades dan lugar a un número limitado de condiciones en las que la fusión puede llevarse a cabo, conocido como pico de Gamow.
Una bobina de Tesla es un tipo de transformador resonante, llamado así en honor a su inventor, Nikola Tesla, quien la patentó en 1891.[1] La bobina de Tesla está compuesta por una serie de circuitos eléctricos resonantes acoplados. Nikola Tesla experimentó con gran variedad de bobinas y configuraciones, de modo que el prototipo patentado es diferente de sus primeros prototipos y de los que continuó probando [cita requerida]. Las bobinas de Tesla de mayor tamaño pueden provocar chispas eléctricas con una longitud de varios metros.[2]
Historia
Primeras bobinas
La revista American Electrician dio una descripción de una de las primeras bobinas de Tesla, según la cual, un transportador universal de 22 voltios extras 15 cm por 10 0 cm se le enrollaban entre 60 y 80 vueltas de hilo de cobre de calibre 18 AWG.
Bobinas Tesla disruptivas
En la primavera de 1891, Nikola Tesla realizó una serie de demostraciones con varias máquinas ante el American Institute of Electrical Engineers del Columbia College. Así Continuo con las investigaciones iniciales voltaje y frecuencia de William Crookes, Tesla diseñó y construyó una serie de bobinas que produjeron corrientes de alto voltaje y alta frecuencia, asociadas a condensadores (capacitores). Estos condensadores consistían en placas móviles en aceite. Cuanto más pequeña era la superficie de las placas, mayor era la frecuencia de estas primeras bobinas. Las placas resultaban también útiles para eliminar la elevada auto inductancia de la bobina secundaria, añadiendo capacidad a ésta. También se colocaban placas de mica en el explosor para establecer un chorro de aire a través de él. Esto ayudaba a extinguir el arco eléctrico, haciendo la descarga más abrupta. Una ráfaga de aire se usaba también con este objetivo.[3]
Los condensadores se conectan a un circuito primario doble (cada bobina en serie con un condensador). Estos son parte de la segunda bobina disruptiva construida especialmente. Cada primario tiene veinte vueltas de cable cubierto por caucho N.º 16 B&S y están enrollados por separado en tubos de caucho con un grosor no inferior a 3 mm. El secundario tiene 300 vueltas de cable magnético cubierto de seda N.º 30 B&S, enrollado en un tubo de caucho y en sus extremos encajado en tubos de cristal o caucho. Los primarios tienen que ser suficientemente largos como para estar holgados al colocar la segunda bobina entre ambos. Los primarios deben cubrir alrededor de 5 cm del secundario. Debe colocarse una división de caucho duro entre las bobinas primarias. Los extremos de las primarias que no están conectados con los condensadores se dirigirán al explosor.[4]
En System of Electric Lighting[5] (23 de junio de 1891), Tesla describió esta primera bobina disruptiva. Concebida con el propósito de convertir y suplir energía eléctrica en una forma adaptada a la producción de ciertos nuevos fenómenos eléctricos, que requerían corrientes de mayores frecuencia y potencial. También especificaba un mecanismo descargador y almacenador de energía en la primera parte de un transformador de radiofrecuencia. Ésta es la primera aparición de una alimentación de corriente de RF capaz de excitar una antena para emitir potente radiación electromagnética.
Otra de estas primeras bobinas Tesla fue protegida en 1897 por patente,[6] Electrical Transformer. Este transformador desarrollaba (o convertía) corrientes de alto potencial y constaba de bobinas primaria y secundaria (opcionalmente, uno de los terminales de la secundaria podía estar conectado eléctricamente con la primaria; similarmente a las modernas bobinas de encendido). Esta bobina Tesla tenía la secundaria dentro y rodeada por las convoluciones de la primaria. Esta bobina Tesla constaba de bobinas primaria y secundaria enrolladas en forma de espiral plana. El aparato estaba también conectado a tierra cuando la bobina estaba en funcionamiento.
Bobinas posteriores
Estas bobinas posteriores son los dispositivos que construyen usualmente los aficionados. Son transformadores resonantes con núcleo de aire que genera muy altos voltajes en radiofrecuencias. La bobina alcanza una gran ganancia transfiriendo energía de un circuito resonante (circuito primario) a otro (secundario) durante un número de ciclos.
Aunque las bobinas Tesla modernas están diseñadas usualmente para generar largas chispas, los sistemas originales de Tesla fueron diseñados para la comunicación sin cables, de tal manera que él usaba superficies con gran radio de curvatura para prevenir las descargas de corona y las pérdidas por streamers.
La intensidad de la ganancia en voltaje del circuito es proporcional a la cantidad de carga desplazada, que es determinada por el producto de la capacitancia del circuito, el voltaje (que Tesla llamaba “presión”) y la frecuencia de las corrientes empleadas. Tesla también empleó varias versiones de su bobina en experimentos con fluorescencia, rayos X, potencia sin cables para transmisión de energía eléctrica, electroterapia, y corrientes telúricas en conjunto con electricidad atmosférica.
Las bobinas posteriores constan de un circuito primario, el cual es un circuito LC (inductancia-condensador) en serie compuesto de un condensador de alto voltaje, un spark gap, y una bobina primaria; y un circuito secundario, que es un circuito resonante en serie compuesto por la bobina secundaria y el toroide. En los planos originales de Tesla, el circuito LC secundario está compuesto de una bobina secundaria cargada que es colocada en serie con una gran bobina helicoidal. La bobina helicoidal estaba entonces conectada al toroide. La mayor parte de las bobinas modernas usan sólo una única bobina secundaria. El toroide constituye una de las terminales de un condensador, siendo la otra terminal la Tierra. El circuito LC primario es “ajustado” de tal forma que resonará a la misma frecuencia del circuito secundario. Las bobinas primaria y secundaria están débilmente acopladas magnéticamente, creando un transformador con núcleo de aire resonante. Sin embargo, a diferencia de un transformador convencional, que puede acoplar el 97%+ de los campos magnéticos entre los arrollamientos, estos están acoplados, compartiendo sólo el 10-20% de sus respectivos campos magnéticos.
La mayoría de los transformadores aislados por aceite necesitan potentes aislantes en sus conexiones para prevenir descargas en el aire. Posteriores versiones de la bobina de Tesla distribuyen su campo eléctrico sobre una larga distancia para prevenir elevado estrés eléctrico en el primer lugar, permitiendo así operar libremente en aire.
Los terminales consisten en una estructura metálica con la forma de un toroide, cubierta con una placa metálica circular de curvatura suave (formando una superficie conductora muy grande). Tesla usó en su aparato más grande este tipo de elemento dentro de una cúpula. El terminal superior tiene relativa poca capacitancia, cargado al mayor voltaje que es posible. La superficie exterior del conductor elevado es donde principalmente se acumula la carga eléctrica. Posee un gran radio de curvatura, o está compuesto por elementos separados los cuales, respecto a su propio radio de curvatura, están colocados cercanos entre sí de tal forma que la superficie exterior resultante tiene un gran radio.
Uso y producción
Este circuito de ejemplo está diseñado para ser alimentado con corrientes alternas. Aquí el spark gap corta la alta frecuencia a través del primer transformador. Una inductancia, no mostrada aquí, protege el transformador..
Este también alimentado por corrientes alternas. Sin embargo, aquí el transformador de la alimentación AC debe ser capaz de tratar altos voltajes a altas frecuencias.
Transmisión
Una bobina de Tesla grande de diseño actual puede operar con niveles de tensión con picos muy altos, hasta muchos megavoltios (un millón de voltios).[7] Debe por tanto ser ajustada y operada cuidadosamente, no solo por eficiencia y economía, sino también por seguridad. Si, debido a un ajuste inapropiado, el punto de máximo voltaje ocurre por debajo de la terminal, a lo largo de la bobina secundaria, una chispa de descarga puede dañar o destruir el cable de la bobina, sus soportes o incluso objetos cercanos. Tesla experimentó con estas y muchas otras configuraciones de circuitos (ver a la derecha). El arrollamiento primario, el hueco entre los electrodos donde salta la chispa y el depósito condensador están conectados en serie. En cada circuito, el transformador de la alimentación AC carga el depósito condensador hasta que su voltaje es suficiente para producir la ruptura del spark gap. El gap se dispara, permitiendo al depósito condensador cargado descargarse en la bobina primaria. Una vez que el gap se dispara, el comportamiento eléctrico de cada circuito es idéntico. Los experimentos han mostrado que ninguno de los circuitos ofrece ninguna ventaja de rendimiento sobre el otro.
Sin embargo, en el circuito típico (arriba), el cortocircuitar el spark gap previene que las oscilaciones de alta frecuencia 'vuelvan' al transformador. En el circuito alterno, oscilaciones de alta amplitud y alta frecuencia que aparecen a lo largo del condensador también son aplicadas a la bobina del transformador. Esto puede inducir descargas de corona entre los giros que debiliten y finalmente destruyan el aislamiento del transformador. Constructores experimentados de bobinas Tesla utilizan casi exclusivamente el circuito superior, generalmente añadiendo filtros pasa baja (redes de resistencias y condensadores) entre el transformador y el explosor. Esto es especialmente importante cuando se usan transformadores con oscilaciones de alto voltaje frágiles, como transformadores de luces de neón (NST en sus siglas en inglés). Independientemente de la configuración que se use, el transformador HV debe ser del tipo que auto-limita su corriente secundaria por medio de inductancias de fuga interna. Un transformador de alto voltaje normal (con baja inductancia de fuga) debe utilizar un limitador externo (a veces llamado ballast) para limitar la corriente. Los NST están diseñados para tener inductancia de fuga alta, para limitar sus cortocircuitos a niveles seguros.
Seguridad y precauciones
En el ajuste de la bobina la frecuencia de resonancia de la bobina primaria se ajusta al mismo valor de la bobina secundaria. Es recomendable para comenzar usar oscilaciones de baja potencia, y a partir de estas incrementar la potencia hasta el momento en el que el aparato esté bajo control. Mientras se ajuste, se suele añadir una pequeña proyección (llamada "breakout bump") al terminal superior para estimular descargas de corona y de chispas (también llamadas "streamers") en el aire circundante. La bobina puede entonces ajustarse para conseguir las descargas más largas a una cierta potencia dada, correspondiendo a la coincidencia de frecuencias entre la bobina primaria y la secundaria. La "carga" capacitiva de estos streamers tiende a bajar la frecuencia resonante de una bobina Tesla funcionando a potencia máxima. Por distintas razones técnicas, resulta efectivo elegir a los terminales superiores de la bobina con forma toroidal , lo que hace que el circuito primario empiece a oscilar. La corriente oscilante crea un campo magnético que se acopla con el segundo arrollamiento, transfiriendo energía a la parte secundaria del transformador y produciendo que este oscile con la capacitancia toroidal. La transferencia de energía ocurre durante varios ciclos, y la mayor parte de la energía que originalmente se encontraba en la parte primaria, pasa a la secundaria. Cuanto mayor es el acoplamiento magnético entre los arrollamientos, menor será el tiempo requerido para completar la transferencia de energía. Según la energía crece en el circuito oscilante secundario, la amplitud del voltaje RF del toroide crece rápidamente, y en el aire circundante al toroide se produce una ruptura del dieléctrico, formando una descarga de corona.
Según se sigue incrementando la energía (y el voltaje exterior) de la segunda bobina, se producen pulsos mayores de corriente de desplazamiento que ionizan y calientan el aire. Esto forma una “raíz” de plasma caliente muy conductora, llamada chispa directora que se proyecta hacia el exterior del toroide. El plasma en esta “conductora” está considerablemente más caliente que una descarga de corona, y es considerablemente más conductora. De hecho, tiene propiedades similares a un arco eléctrico. La conductora se bifurca en miles de descargas mucho más finas, similares a cabellos, llamadas streamers.
Estos streamers son como una “niebla” azulada al final de las conductoras más luminosas, y son estos los que transfieren la carga entre el toroide y las regiones espaciales de carga circundantes. Las corrientes de desplazamiento de incontables streamers alimentan a la conductora, ayudando a mantenerla caliente y eléctricamente conductora.
En una bobina Tesla con explosor, el proceso de transferencia de energía entre los circuitos primarios y secundarios ocurre repetidamente a unas tasas típicas de transferencia de 50/500 veces por segundo, y los canales conductores previamente formados no tienen oportunidad de enfriarse totalmente entre pulsos. De esta forma, en pulsos sucesivos, las nuevas descargas pueden construirse en los rastros calientes dejados por sus predecesoras. Esto produce un crecimiento consecutivo de las conductoras de un pulso al siguiente, alargando la descarga en cada pulso sucesivo.
La repetición de los pulsos produce que las descargas crezcan hasta que la energía media que está disponible en la bobina Tesla durante cada pulso se equilibre con la energía media perdida en las descargas (mayormente por calor). En este punto se alcanza el equilibrio dinámico, y las descargas alcanzan su máxima longitud para esa potencia exterior de la bobina. Esta única combinación de un alto voltaje creciente de radiofrecuencia y una repetición de pulsos parece ajustarse de forma ideal para crear descargas largas y bifurcadas que son considerablemente mayores que las que se podrían esperar simplemente considerando el voltaje exterior. Más de 100 años después del uso de las primeras bobinas Tesla, hay muchos aspectos de las descargas y de los procesos de transferencia de energía que todavía no se comprenden en su totalidad.
El mito del efecto pelicular o piel (skin effect)
Los peligros de las corrientes de alta frecuencia se perciben a veces como menores que los producidos a bajas frecuencias. Esto se suele interpretar, erróneamente, como debido al efecto pelicular, un efecto que tiende a inhibir la corriente alterna que fluye dentro de un medio conductor. Aunque el efecto películar es aplicable dentro de conductores eléctricos (por ejemplo metales), la “profundidad de penetración” del tejido humano, a las frecuencias típicas de una bobina Tesla, es del orden de los 100 cm o más. Esto significa que corrientes de alta frecuencia seguirán fluyendo preferentemente a través de partes mejor conductoras del cuerpo como el sistema circulatorio y el nervioso. En realidad, el sistema nervioso de un ser humano no siente directamente el flujo de corrientes eléctricas potencialmente peligrosas por encima de 15/20 kHz; para que los nervios sean activados, un número significativo de iones deben cruzar su membrana antes de que la corriente (y por lo tanto el voltaje) se revierta. Debido a que el cuerpo no provee una señal de shock, los inexpertos pueden tocar los streamers exteriores de una pequeña bobina Tesla sin sentir dolorosos shocks. Sin embargo, hay pruebas entre experimentadores de bobinas Tesla de haber sufrido daño temporal en los tejidos, el cual puede ser observado como dolor de músculos, articulaciones u hormigueo durante horas e incluso días después. Se cree que esto puede deberse a los efectos dañinos del flujo de corrientes internas, y es especialmente común con bobinas Tesla de onda continua, de estado sólido o de vacío.
Grandes bobinas Tesla y amplificadores pueden producir niveles peligrosos de corriente de alta frecuencia, y también altos voltajes (250.000/500.000 voltios o más). Debido a sus altos voltajes se pueden producir descargas potencialmente letales desde los terminales superiores. Doblando el potencial exterior se cuadruplica la energía electrostática almacenada en un terminal de cierta capacitancia dada. Si un experimentador se sitúa accidentalmente en el camino de una descarga de alto voltaje a tierra, el shock eléctrico puede causar espasmos involuntarios y puede inducir fibrilación ventricular e incluso la muerte. Incluso bobinas de baja potencia de vacío o de estado sólido pueden producir corriente de radiofrecuencia que son capaces de causar daños temporales en tejidos internos, nervios o articulaciones a través de calentamiento Joule. Además un arco eléctrico puede carbonizar piel, produciendo dolorosas y peligrosas quemaduras que pueden alcanzar el hueso, y que pueden durar meses hasta su curación. Debido a estos riesgos, los experimentadores con conocimientos evitan el contacto con los streamers de todos excepto los sistemas más pequeños. Los profesionales suelen usar otros medios de protección como una jaula de Faraday, o trajes de cota de malla para evitar que las corrientes penetren en el cuerpo. Una amenaza que no se suele tener en cuenta es que un arco de alta frecuencia puede golpear el primario, pudiendo producirse también descargas mortales.
Casos y dispositivos
Los laboratorios Tesla de Colorado Springs poseían una de las bobinas Tesla más grande jamás construida, conocida como el “transmisor amplificador” ("Magnifying Transmitter"). Este es algo diferente de una bobina Tesla clásica de dos bobinas. Un amplificador usa un sistema de dos bobinas para excitar la base de una tercera bobina (resonador) que está situada a cierta distancia del primero. Los principios operativos de ambos sistemas son similares.
La bobina Tesla más grande jamás construida fue hecha por Greg Leyh. Es una unidad de 3.000.000 de voltios,[8] parte de una escultura de 12 m de alto. El propietario es Alan Gibbs y actualmente reside en un parque escultural privado en Kakanui Point cerca de Auckland (Nueva Zelanda).
Una versión moderna de baja potencia de la bobina Tesla se usa para alimentar la iluminación de esculturas y dispositivos similares.
Popularidad
Las bobinas de Tesla son dispositivos, muy populares entre ciertos ingenieros eléctricos y entusiastas de la electrónica. A alguien que construye una bobina de Tesla como hobby se le llama “bobinador Tesla”. Hay incluso convenciones donde la gente acude con sus bobinas caseras y otros dispositivos de interés. Las bobinas Tesla de baja energía se usan también como fuentes de alto voltaje para la fotografía Kirlian. También se usan como elementos educacionales. En la actualidad lo que comenzó como un hobby, Greg Leyh fabricó la mayor bobina Tesla jamás construida.
En física de partículas, un bosón es uno de los dos tipos básicos de partículas elementales de la naturaleza (el otro tipo son los fermiones).[1]
La denominación «bosón» fue acuñada por Paul Dirac[2] para conmemorar la contribución del físico indio Satyendra Nath Bose,[3][4] junto con Einstein, en el desarrollo de la Estadística de Bose-Einstein la cual teoriza las características de las partículas elementales.[5]
Entre los ejemplos de bosones se incluyen partículas fundamentales como fotones, gluones, bosones W y Z (los cuatro bosones de gauge, portadores de fuerza del modelo estándar), el bosón de Higgs, y el gravitón[6] de gravedad cuántica; partículas compuestas (por ej.: mesones y núcleos estables de número de masa par como el deuterio (con un protón y un neutrón, número másico = 2), helio-4 o plomo-208; y algunas cuasipartículas (pares de Cooper, plasmones, y fonones).[7]
Los bosones se caracterizan por:
- Tienen un espín entero (0,1,2,...).
- No cumplen el principio de exclusión de Pauli y siguen la estadística de Bose-Einstein. Esto hace que presenten un fenómeno llamado condensación de Bose-Einstein (el desarrollo de máseres y láseres fue posible puesto que los fotones de la luz son bosones).
- La función de onda cuántica que describe sistemas de bosones es simétrica respecto al intercambio de partículas.
Por el teorema espín-estadística sabemos que la segunda y tercera característica son consecuencia necesaria de la primera.
Algunos bosones, aunque se comportan como bosones, de hecho están compuestos de otras partículas. Por ejemplo, los núcleos de átomos de helio, bajo ciertas condiciones, se comportan como bosones aun cuando están compuestos por cuatro fermiones que, a su vez, no son elementales cuando son examinados en experimentos de muy alta energía.
Ejemplos de bosones
Bosones compuestos
Bosones de gauge simples
Véase también Anexo:Tabla_de_partículas#Bosones
Todas las partículas elementales observadas son bosones (con espín entero) o fermiones (con espín medio entero impar).[8] Mientras que las partículas elementales que componen la materia ordinaria (leptones y quarks) son fermiones, los bosones elementales ocupan un papel especial en la física de partículas. Actúan como portadores de fuerza que dan lugar a fuerzas entre otras partículas, o en un caso dan lugar al fenómeno de masa.
Según el Modelo Estándar de Física de Partículas hay cinco bosones elementales:
- Un bosón escalar (espín=0)
- H0 Bosón de Higgs – la partícula que da lugar al fenómeno de masa a través del mecanismo de Higgs
- Cuatro bosones vectoriales (espín=1) que actúan como portadores de fuerza. Estos son los bosones de gauge:
- γ Fotones – el portador de fuerza del campo electromagnético
- g Gluones (ocho tipos diferentes): portadores de fuerza que median en la fuerza fuerte
- Z Bosón débil neutro – el portador de fuerza que media la fuerza débil
- W± Bosones débiles cargados (dos tipos): también portadores de fuerza que median en la fuerza débil
Un bosón tensor (espín=2) llamado gravitón (G) ha sido planteado como el portador de fuerza para la gravedad, pero hasta ahora todos los intentos de incorporar la gravedad en el modelo estándar han fallado.[a]
- Otros
Bosones intermedios o de gauge
Un bosón de gauge o bosón intermediario es una partícula (de hecho, un bosó) que actúa como portadora de una interacción fundamental de la naturaleza. Más específicamente, la interacción entre las partículas elementales está descrita por la teorías de campos de gauge y se ejerce mediante el intercambio de bosones de gauge entre sí, usualmente como partículas virtuales.
Fotones
Los fotones forman la radiación electromagnética (ondas de radio, luz, rayos ultravioletas, rayos X, rayos gama... ), son emitidos y absorbidos por la materia y transportan la interacción electromagnética. El fotón posee espín igual a 1, i, por lo tanto, es un bosón; cuya masa en reposo es nula, la helicidad del fotón puede ser 1 o -1, pero no 0. Se le representa mediante el símbolo γ.[9]
Los fotones fueron propuestos por el físico alemán Albert Einstein (1879-1955), en 1905, para dar una explicación satisfactoria a la propagación de la luz en fenómenos como el efecto fotoeléctrico. Con la realización de experimentos de choque entre electrones y radiación luminosa (efecto Compton) se ha podido constatar el carácter de partícula que presenta a veces el fotón, lo que permite asociarle un momento lineal hν/c y una energía hv (siendo h la constante de Planck, v la frecuencia de la radiación y c la velocidad de la luz en el vacío).[9]
Bosones W y Z
Hay tres bosones vectoriales intermediaros que transmiten la interacción débil: el bosón W+, con una carga eléctrica de +e, es decir, 1,602 × 10–19 C; el bosón W–, antipartícula del anterior y con carga –e (–1,602 × 10–19 C), y el bosón Z0, que es eléctricamente neutro. La masa del bosón W es de 80,399 (23) GeV/c2 y la del bosón Z, de 98,187 6 (21) GeV/c2.[10] La masa del protón es de 0,938 GeV/c2, por lo tanto, los bosones W tienen unas masas ochenta y seis veces superiores a la del protón, y el bosón Z ciento cinco veces superior. Esta característica es responsable de la extremadamente corta distancia de la fuerza débil, la cual tiene una influencia confinada a una distancia de aproximadamente 10–17 metros porque, según establece la mecánica cuántica, la distancia de acción de una fuerza determinada tiende a ser inversamente proporcional a la masa de la partícula que la transmite.[11]
La existencia de los bosones vectoriales intermedios y sus propiedades fue predicha a finales de los años sesenta por los físicos Sheldon Lee Glashow (1932), Steven Weinberg (1933-2021) y Abdus Salam (1926-1996). Sus esfuerzos teóricos, conocidos actualmente como teoría electrodébil, explican que la fuerza electromagnética y la fuerza débil, consideradas durante mucho tiempo como entidades separadas, son en realidad manifestaciones de la misma interacción fundamental. Así como la fuerza electromagnética se transmite mediante partículas portadoras conocidas como fotones, la fuerza débil se intercambia a través de los tres tipos de bosones vectoriales intermedios W+, W– y Z0.[11]
En procesos de baja energía como la desintegración β, las partículas pesadas W se pueden intercambiar solo porque el principio de incertidumbre de Heisenberg permite fluctuaciones en masa-energía durante intervalos de tiempo suficientemente cortos. Estas partículas W no se pueden observar directamente. Sin embargo, es posible producir partículas W detectables en experimentos con aceleradores de partículas que involucren colisiones entre partículas subatómicas, siempre que la energía de la colisión sea lo suficientemente alta. Una partícula W de este tipo decae luego en un leptón cargado (por ejemplo, un electrón, un muón o un tau) y un neutrino asociado, o en un quark y un antiquark de tipo diferente (o «sabor») pero con una carga total de +1 o –1.[11]
En 1983, dos experimentos en la Organización Europea para la Investigación Nuclear (CERN) en Ginebra detectaron características que se aproximaban estrechamente a las predicciones para la formación y desintegración de las partículas W y Z. Sus resultados constituyeron la primera evidencia directa de los bosones débiles y proporcionaron un fuerte apoyo para la teoría electrodébil. Los bosones Z y W fueron observados posteriormente de manera más directa en 1983 en experimentos de colisiones protón-antiprotón de alta energía realizados en el CERN. El físico del CERN Carlo Rubbia (1934) y el ingeniero Simon van der Meer (1925-2011) recibieron el Premio Nobel de Física de 1984 en reconocimiento a su papel en el descubrimiento de las partículas W y Z.[11]
Las mediciones realizadas en el CERN muestran que cuando el bosón Z se desintegra en pares neutrino-antineutrino, produce únicamente tres tipos de neutrinos ligeros. Esta medida es de importancia fundamental, ya que indica que solo existen tres conjuntos de leptones y quarks, los elementos básicos de la materia.[13]
Gluones
Los gluones son bosones de gauge o intermedios de masa nula, carga eléctrica nula y espín 1, se simbolizan como g. Transmiten la interacción nuclear fuerte entre quarks. Así, los quarks interactúan emitiendo y absorbiendo gluones, de la misma manera que las partículas cargadas eléctricamente interactúan mediante la emisión y absorción de fotones.[14] Los quarks pueden tener tres diferentes cargas de color (azul, verde y rojo) y, al emitir o absorber un gluón, cambian de carga de color. Sin embargo, los gluones son más complejos que los fotones. Estos no tienen carga eléctrica, pero los gluones tienen carga de color, lo que significa que interactúan entre ellos. Los gluones se presentan en ocho posibles estados de carga de color (verde-antiazul, azul-antirojo...) y, por eso, pueden acoplarse a las cargas de color de quarks y antiquarks. Al tener carga de color, los gluones no se pueden aislar y participan en los procesos de interacción nuclear fuerte acoplándose también entre sí, además de ser los intermediarios de la interacción.[15]
A diferencia de otras fuerzas conocidas, la interacción entre quarks no disminuye con la distancia. Este comportamiento implica que se necesita una enorme cantidad de energía para separar dos quarks, por ejemplo, el par quark-antiquark que forma un mesón. Se crea una cuerda de gluones entre ellos hasta el punto en que, al llegar a cierto momento, es energéticamente favorable la creación de un nuevo par quark-antiquark, de manera que el estado final es de dos mesones, en lugar de conseguir quarks libres. Este comportamiento es lo que se denomina confinamiento de quarks y hace que sean inobservables directamente.[16]
Teóricamente, pueden existir las llamadas bolas de gluones, que son partículas formadas por dos o más gluones, sin presencia de quarks. Aunque existen algunos candidatos a ser bolas de gluones, hasta el momento actual no se han identificado experimentalmente con certeza, ya que sus números cuánticos coinciden con los de los mesones ordinarios.[17]
El término gluon (gluón) fue acuñado en 1962 por el físico teórico estadounidense Murray Gell-Mann (1929-2019) y proviene del inglés glue (pegamento).[15] En 1979 se confirmó la existencia de los gluones mediante la observación de la radiación de los gluones por los quarks en estudios de colisiones de partículas de alta energía en el laboratorio nacional alemán, el Deutsches Elektronen-Synchrotron (DESY), en Hamburgo.[14]
Discusión
Todas las partículas elementales son bosones o fermiones, dependiendo de si su espín es entero o semientero. En física de altas energías y de partículas se dice que los bosones son los mediadores de fuerza o partículas portadoras de las interacciones fundamentales, puesto que los campos eléctromagnético, electrodébil, fuerte y presumiblemente el gravitatorio están asociados a partículas de espín entero. De hecho, la descripción cuántica de las interacciones fundamentales mencionadas consiste en el intercambio de una partícula que será siempre un bosón virtual. Así la interacción de dichos bosones virtuales con fermiones reales es lo que da lugar a dichas interacciones o fuerzas fundamentales. El alcance de dicha interacción en general viene dado por la masa de la partícula intercambiada.
A los bosones involucrados en dichas interacciones se les denomina bosones gauge. Estos son los bosones W y Z para la interacción débil, los gluones para la interacción fuerte, los fotones para la interacción electromagnética y el hipotético gravitón para la interacción gravitatoria.
Las partículas compuestas por otras partículas, como los protones, los neutrones o los núcleos atómicos, pueden ser bosones o fermiones dependiendo de su espín total. De ahí que muchos núcleos sean, de hecho, bosones. Basta que el número de fermiones que componga esa partícula sea par para que el sistema compuesto sea un bosón. Así, la mayoría de los elementos tiene isótopos que serán fermiones, es el caso del helio-3, o bosones, como el helio-4. El deuterio es también bosón; sin embargo, sus vecinos protio y tritio son fermiones.
Mientras que los fermiones están obligados a cumplir el principio de exclusión de Pauli: "no puede haber más de una partícula ocupando un mismo estado cuántico", no existe dicha exclusión para los bosones, ellos pueden ocupar estados cuánticos idénticos. El resultado de esto es que el espectro de un gas de fotones a cierta temperatura de equilibrio posee un espectro de Planck (ejemplos de ello son la radiación del cuerpo negro o la radiación del fondo cósmico de microondas, testigo que nos remonta al universo temprano). El trabajo con láseres, las propiedades de superfluido del helio-4 y la reciente formación del condensado de Bose-Einstein son todos consecuencia de la estadística de los bosones.
Las diferencias entre las estadísticas bosónica y fermiónica es solo apreciable en grandes densidades, cuando las funciones de onda se superponen. A bajas densidades, ambos tipos de estadísticas se aproximan a la estadística de Maxwell-Boltzmann, donde ambos tipos de partículas se comportan clásicamente.
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