Bosones W y Z para niños
Datos para niños Bosones W y Z W± y Z0 |
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|---|---|---|
| Clasificación | Partícula elemental | |
| Familia | Bosón | |
| Grupo | Bosón de gauge | |
| Interacción | Gravedad Electromagnetismo Interacción débil |
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| Antipartícula | W+: Bosón W− Z0: Ella misma |
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| Masa | W±: 80,401 (38) GeV/c2 Z0: 91,1876 (21) GeV/c2 |
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| Vida media | ~10−25 s | |
| Carga eléctrica | W±: ±1 e Z0: Neutra |
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| Carga de color | Neutra | |
| Espín |  |
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Los bosones W y Z son partículas muy especiales en el mundo de la física. Son los encargados de transmitir la fuerza nuclear débil, una de las cuatro fuerzas fundamentales de la naturaleza. Estas partículas son muy pesadas y su trabajo principal es cambiar el "sabor" de otras partículas, como los leptones y los quarks.
Fueron descubiertas en el CERN, un gran laboratorio en Europa, en el año 1983. Sin embargo, los científicos ya sabían que debían existir mucho antes de encontrarlas. El bosón W se llama así por la palabra inglesa weak, que significa "débil", debido a la fuerza que transmite. El bosón Z podría llamarse así por ser el último de los tres en ser descubierto, o porque no tiene carga eléctrica (zero en inglés). A veces también se les llama "bosones intermedios".
Contenido
¿Qué son los Bosones W y Z?
Los bosones W y Z son partículas elementales, lo que significa que no están hechas de otras partículas más pequeñas. Son como los "mensajeros" de la fuerza débil, que es responsable de algunos cambios en el interior de los átomos.
Tipos y Características
Existen dos tipos de bosones W:
- El bosón W+, que tiene una carga eléctrica positiva.
- El bosón W−, que tiene una carga eléctrica negativa.
Ambos son como el uno la antipartícula del otro.
El bosón Z, llamado Z0, es diferente porque no tiene carga eléctrica; es neutro. Además, el bosón Z0 es su propia antipartícula.
Estas tres partículas son muy pesadas para ser partículas elementales. Los bosones W tienen una masa de aproximadamente 80.4 GeV/c2, y el bosón Z de 91.2 GeV/c2. Para que te hagas una idea, ¡son más pesados que los núcleos de hierro! Su gran masa explica por qué la fuerza débil solo actúa a distancias muy, muy pequeñas, como 10-18 metros.
Los tres bosones tienen un espín de 1. Su vida es extremadamente corta, duran solo alrededor de 10-25 segundos antes de transformarse en otras partículas.
Los Bosones W y Z en la Interacción Débil
Cuando un leptón o un quark se transforma en otro tipo de partícula más ligera, los científicos dicen que cambian de "sabor". Todos estos cambios de sabor ocurren gracias a la fuerza débil, y en ellos siempre participa uno de los bosones W o Z.
¿Cómo actúan los Bosones W?
Un ejemplo muy importante donde intervienen los bosones W es la desintegración beta. En este proceso, un neutrón se convierte en un protón.
La ecuación de este cambio es:
Esto significa que un neutrón se convierte en un protón y, al mismo tiempo, libera un electrón y un antineutrino de electrón.
Pero el neutrón no es una partícula elemental; está formado por dos quarks abajo y un quark arriba. Lo que realmente sucede es que uno de los quarks abajo del neutrón cambia su "sabor" y se convierte en un quark arriba, transformando así el neutrón en un protón.
En realidad, el quark abajo no emite directamente el electrón y el antineutrino. Lo que hace es transformarse en un quark arriba y, al mismo tiempo, emite un bosón W negativo (para mantener el equilibrio de la carga eléctrica). Es este bosón W el que, casi al instante, se desintegra en el electrón y el antineutrino.
Si el proceso es al revés, es decir, un protón se convierte en un neutrón, se libera un positrón y un electrón-neutrino. En este caso, el bosón implicado es el W positivo.
¿Cómo actúa el Bosón Z?
El bosón Z interviene en procesos donde las partículas no cambian su carga eléctrica ni su "sabor". Su función principal es transferir momento lineal entre partículas. Cuando dos partículas intercambian un bosón Z, una le está pasando energía y movimiento a la otra.
Este tipo de intercambio se llama interacción de corriente neutra. Para estudiar estas interacciones, los científicos necesitan usar los aceleradores de partículas más potentes del mundo.
Bosones W y Z Virtuales
Cuando un quark abajo se convierte en un quark arriba y un bosón W, podría parecer que se está creando mucha energía de la nada, ya que el bosón W es muchísimo más pesado que el quark. Esto parecería ir en contra de la ley de conservación de la masa-energía.
Sin embargo, el bosón W existe por un tiempo increíblemente corto, unos 10-25 segundos. Debido a un principio de la física llamado principio de indeterminación de Heisenberg, si una partícula existe por un tiempo tan breve, su masa-energía puede variar momentáneamente. Es como si la realidad "no se diera cuenta" de esta pequeña variación.
Las partículas que aparecen y desaparecen tan rápido se llaman partículas virtuales. Aunque también existen en otras fuerzas, la gran masa de los bosones W y Z hace que este concepto sea muy importante para entender la fuerza débil.
Predicción y Descubrimiento
Después del éxito de la electrodinámica cuántica (que describe la fuerza electromagnética) en los años 50, los científicos buscaron una teoría similar para la fuerza débil. Esto llevó a la teoría electrodébil, que unifica el electromagnetismo con la fuerza débil. Por su trabajo en esta teoría, los científicos Sheldon Glashow, Steven Weinberg y Abdus Salam recibieron el premio Nobel de física.
La teoría electrodébil predijo la existencia de los bosones W para explicar la desintegración beta, y también la existencia del bosón Z. El mayor desafío fue explicar por qué estas partículas tenían masa, a diferencia de otras partículas que transmiten fuerzas (como el fotón, que no tiene masa). Una explicación, el mecanismo de Higgs, sugiere que los bosones W y Z obtienen su masa al interactuar con un campo especial, el campo de Higgs.
El Descubrimiento en el CERN
El descubrimiento de los bosones W y Z fue un gran logro para el CERN. Primero, el laboratorio observó muchos de los efectos que se esperaban de estos bosones, y luego, en 1983, lograron detectar las partículas directamente.
Desde principios del siglo XX, se conocía la desintegración beta. Pero fue en 1973 cuando la cámara de burbujas Gargamelle observó por primera vez los efectos de la interacción de corriente neutra, predicha por la teoría electrodébil. Se tomaron fotografías de electrones que de repente cambiaban de dirección sin razón aparente. Esto se interpretó como el intercambio de un bosón Z con una partícula no visible, un neutrino.
El descubrimiento de los bosones W y Z ocurrió diez años después, gracias a la construcción del Super Proton Synchrotron en el CERN. Los experimentos UA1 y UA2, liderados por Carlo Rubbia y Simon van der Meer, lograron demostrar la existencia de estas partículas. Por este importante descubrimiento, ambos científicos recibieron el premio Nobel de física en 1984.
Mediciones Recientes de la Masa del Bosón W
Hasta el año 2022, las mediciones de la masa del bosón W coincidían bastante bien con lo que predice el Modelo estándar de la física de partículas. Por ejemplo, en 2021, las mediciones indicaban una masa de alrededor de 80379 ± 12 MeV.
Sin embargo, en abril de 2022, un nuevo análisis de datos de un experimento anterior en el colisionador Fermilab Tevatron (que cerró en 2011) encontró una masa diferente para el bosón W: 80433 ± 9 MeV. Esta nueva medida era significativamente más alta de lo esperado por el Modelo Estándar. Esto causó mucho revuelo en la comunidad científica, ya que una diferencia tan grande es muy improbable si el Modelo Estándar es completamente correcto.
Los científicos del Fermilab tomaron muchas precauciones para evitar errores en su análisis. El líder del equipo, Ashutosh Kotwal, describió este resultado como "la grieta más grande en esta hermosa teoría", sugiriendo que podría ser la "primera evidencia clara" de nuevas fuerzas o partículas que el Modelo Estándar no explica.
A pesar de la emoción, esta nueva medición también era diferente de otras mediciones anteriores, como las del experimento ATLAS. Esto significa que podría haber algún error no detectado en las mediciones antiguas o en las nuevas. Los científicos esperan que futuros experimentos en el Gran Colisionador de Hadrones (LHC) del CERN ayuden a aclarar cuál de las mediciones es la correcta. Joseph Lykken, del Fermilab, enfatizó que esta nueva medición "necesita ser confirmada por otro experimento antes de que pueda interpretarse completamente".
En 2023, el experimento ATLAS publicó una medición mejorada de la masa del bosón W, que fue de 80360 ± 16 MeV. Esta nueva medición de ATLAS sí coincide con las predicciones del Modelo Estándar. Al combinar todas las mediciones de la masa del bosón W (excepto la del Fermilab de 2022), el valor promedio se acerca mucho más a lo que predice el Modelo Estándar. Esto sugiere que la medición de 2022 del Fermilab podría tener alguna particularidad que aún no se entiende.
Véase también
En inglés: W and Z bosons Facts for Kids
