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Bosone

Che cosa sono i bosoni?

I bosoni rappresentano insieme ai fermioni una delle due classi in cui possono essere classificate tutte le particelle elementari e composte di cui è fatto l'universo.

Il termine bosone deve questo nome al fisico indiano Bose che introdusse, insieme ad Einstein, la statistica a cui obbediscono proprio questa categoria di particelle ovvero i bosoni.

Esempi di bosoni in natura sono i fotoni o le particelle α (cioè i nuclei di He-4 costituiti da due neutroni e due protoni).

I bosoni sono tutte le particelle che mediano delle interazioni, per esempio il fotone media le interazioni elettromagnetiche e descrive la luce, il gravitone media le interazioni gravitazionali, i bosoni W± e Z (scoperti al Cern all'inizio degli anni 80) mediano le interazioni deboli, i gluoni mediano le interazioni forti e sono responsabili della tenuta dei quark all'interno del protone. Infine, esiste un bosone particolare scoperto nel 2012 al Cern che è il Bosone di Higgs.

Esistono anche particelle composte che sono bosoni; in particolare componendo fermioni si possono ottenere bosoni mentre componendo bosoni si possono solo ottenere altri bosoni.

È necessario distinguere fermioni e bosoni in ambito quantistico (quindi quando si ha a che fare con scale di dimensioni estremamente ridotte) mentre a livello macroscopico non è necessario tale distinzione.

Ciò che consente di distinguere fermioni e bosoni è il numero di spin. Lo spin (dal verbo inglese to spin che significa girare come una trottola) associato ad una particella può essere compreso immaginando la particella come se fosse una pallina che gira vorticosamente su se stessa proprio come una trottola. La particella che gira su se stessa possiede un dipolo magnetico che interagisce con un campo magnetico esterno.

Spin

Questa interazione provoca una deviazione nella traiettoria della particella che è diversa dalla deviazione dovuta alla forza di Lorentz che una particella carica subisce quando è immessa in un campo magnetico.

La forza di Lorentz infatti ha una direzione che è perpendicolare contemporaneamente al moto della particella e alla direzione del campo magnetico. L'interazione di spin invece avviene nella stessa direzione del campo magnetico.

I bosoni possono avere solo numero di spin intero (0, 1 , 2…) inoltre essi obbediscono alla statistica di Bose – Einstein.

I fermioni invece hanno solo spin semintero (1/2, 3/2, 5/2…) e possono quindi combinarsi per comporre un bosone mentre più bosoni non potranno mai comporsi per dare vita a una particella con spin semi intero avendo essi spin intero.

Più bosoni con spin intero si possono combinare per dar luogo sempre a bosoni con spin intero.

L'espressione della statistica di Bose Einstein è la seguente:

Statistica di Bose Einstein

in cui:

  • ni è il numero di particelle che popola lo stato i-esimo;
  • gi è la degenerazione di spin (ad esempio per i fotoni la degenerazione è 2);
  • Ei è l'energia dell'i-esimo stato;
  • µ il potenziale chimico;
  • K la costante di Boltzmann;
  • T la temperatura assoluta.

I bosoni possono essere considerati come delle particelle estremamente "sociali" poiché essi tendono ad aggregarsi e condensarsi su un unico livello energetico.

Non c'è limite ai bosoni della stessa specie che possono stare sullo stesso livello. Il livello energetico su cui essi tendono a stare è sempre il più basso tra quelli a disposizione.

Bosoni e fermioni

Inoltre, sotto certe condizioni i bosoni tendono ad allineare i loro spin tutti nella stessa direzione, come nel particolare stato della materia detto Condensato di Bose Einstein che può essere raggiunto solo a temperature estremamente vicine allo zero assoluto (anche dell'ordine di 10-8 K) in cui i bosoni si trovano tutti allo stato fondamentale.

Il condensato di Bose Einstein, teorizzato negli anni '20 e realizzato per la prima volta circa 75 anni dopo nel 1995, è un unisono di moltissimi atomi che si comportano coerentemente; essi infatti sono tutti quanti correlati ed appaiono come un tutt'uno cioè come un'unica particella gigantesca che è in grado di comportarsi quantisticamente anche su scale di distanza molto maggiore di quelle a cui ci abitua la meccanica quantistica.

Le proprietà quantistiche si trasferiscono dalla scala prettamente microscopica a quella macroscopica (amplificazione degli effetti quantistici).

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