Los bosones W y Z
Los bosones $W$ y $Z$ son las partículas mediadoras de la interacción débil, una de las cuatro fuerzas fundamentales de la naturaleza.
A diferencia del fotón - que carece de masa y permite que la interacción electromagnética actúe a alcance infinito - los bosones débiles poseen una masa muy elevada. Esta característica restringe la interacción débil a distancias subnucleares, incluso menores que el tamaño de un núcleo atómico.
La interacción débil se transmite mediante dos tipos de bosones:
- El bosón $W$ media las corrientes cargadas. Interviene en procesos donde cambia la carga eléctrica y, en el caso de los quarks, también su sabor. El bosón $ W^+ $ porta una carga positiva de +1, mientras que el $ W^- $ porta una carga negativa de -1. En la práctica, pueden aumentar o reducir la carga de una partícula en una unidad y, al mismo tiempo, modificar el sabor de sus quarks.
Un ejemplo clásico es el decaimiento beta: un neutrón se transforma en un protón, emitiendo un electrón y un antineutrino electrónico: $ n \to e^- + \bar{\nu}_e $
- El bosón $Z$ media las corrientes neutras, interacciones en las que ninguna partícula cambia de carga. El bosón $ Z^0 $ es eléctricamente neutro y no modifica ni la carga ni el sabor de las partículas involucradas.
Por ejemplo, en un proceso de dispersión un neutrino intercambia un bosón virtual $Z^0$ con un electrón. Ambos conservan inalteradas su carga y su sabor: $ \nu_\mu + e^- \;\to\; \nu_\mu + e^- $.
Propiedades fundamentales
- Tipos: $W^+$ y $W^-$ (cargados positiva y negativamente), y $Z^0$ (neutro).
- Espín: 1, lo que los clasifica como bosones vectoriales (también llamados bosones intermedios).
- Masa: aproximadamente 80 GeV/$c^2$ para el $W$, y 91 GeV/$c^2$ para el $Z$ - más de 80 veces la masa de un protón.
- Vida media: extremadamente breve, del orden de $10^{-25}$ segundos; no pueden observarse de manera directa, sino únicamente a través de sus productos de desintegración.
Historia
Los bosones $ W $ y $ Z $ fueron predichos a finales de la década de 1960 por la teoría electrodébil desarrollada por Glashow, Weinberg y Salam.
El gran reto era explicar cómo podían adquirir masas tan elevadas sin comprometer la consistencia matemática de la teoría gauge.
La clave estuvo en el mecanismo de Higgs, un proceso de ruptura espontánea de simetría que confiere masa a los bosones $W$ y $Z$, dejando al fotón sin masa.
Descubrimiento experimental
Las corrientes neutras fueron observadas por primera vez en 1973 en el experimento Gargamelle del CERN, proporcionando una evidencia indirecta de la existencia del bosón $ Z^0 $.
La observación directa de los bosones $W$ y $Z$ se produjo una década más tarde, en 1983, también en el CERN, mediante los experimentos UA1 y UA2 en el Super Proton Synchrotron.
Este hallazgo supuso una confirmación decisiva de la teoría electrodébil y valió a Carlo Rubbia y Simon van der Meer el Premio Nobel de Física en 1984.
Los estudios detallados de las desintegraciones del bosón $Z$ confirmaron que en la naturaleza existen exactamente tres familias de neutrinos - y, en consecuencia, tres generaciones de fermiones fundamentales.
Este resultado constituye todavía hoy uno de los pilares de nuestra comprensión del Modelo Estándar.
Auto-interacciones de los bosones $W$ y $Z$
Uno de los rasgos más notables de la interacción débil es que sus propios mediadores no solo transmiten la fuerza: también interactúan entre sí.
Este fenómeno, denominado auto-interacción, se deriva de manera natural de la estructura matemática de la teoría electrodébil.
Nota. La electrodinámica cuántica (QED) es una teoría abeliana: el fotón carece de carga y, por tanto, no interacciona consigo mismo. La interacción débil, en cambio, se basa en el grupo gauge no abeliano $SU(2)_L \times U(1)_Y$. Como los propios bosones $W$ portan carga débil, pueden interactuar directamente entre ellos y con otros bosones del modelo.
Las auto-interacciones se presentan en distintas modalidades:
A] Interacciones trilineales
Los vértices trilineales implican tres bosones vectoriales que confluyen en un único vértice de Feynman. En el Modelo Estándar, los más relevantes son $WW\gamma$ y $WWZ$. El primero evidencia que los bosones cargados $W^\pm$ se acoplan al fotón; el segundo demuestra su conexión directa con el bosón neutro $Z^0$.
- $WW\gamma$: los bosones cargados $W^\pm$ se acoplan al fotón.
- $WWZ$: los bosones $W$ también interactúan con el bosón neutro $Z$.
Estos vértices constituyen una prueba inequívoca del carácter no abeliano de la teoría electrodébil.
B] Interacciones cuárticas
Los vértices cuárticos involucran a cuatro bosones simultáneamente - por ejemplo $WW\gamma\gamma$, $WWZZ$ y $WWZ\gamma$. Aunque menos frecuentes, resultan esenciales para garantizar la unitariedad de las amplitudes de dispersión a altas energías.
- $WWWW$: cuatro bosones $ W $ interactuando entre sí.
- $WW\gamma\gamma$: dos bosones $W$ acoplados a dos fotones.
- $WWZZ$: dos bosones $W$ acoplados a dos bosones $Z$.
- $WWZ\gamma$: combinaciones mixtas.
Estas auto-interacciones no son un mero detalle: resultan fundamentales para la coherencia interna de la teoría (asegurando la unitariedad a altas energías) y distinguen a la interacción débil de la QED, donde el fotón permanece “inactivo”.
Además, abren la posibilidad de fenómenos notables como la producción múltiple de bosones vectoriales en colisiones de alta energía.
Nota. Estas auto-interacciones fueron sometidas a pruebas exhaustivas en la década de 1990 en el LEP (CERN), donde se observó la producción de pares $W^+W^-$. Posteriormente, los experimentos del Tevatron y del Gran Colisionador de Hadrones confirmaron las predicciones del Modelo Estándar, midiendo los vértices trilineales y cuárticos con una precisión extraordinaria.
Y así sucesivamente.
