Cosa sono i bosoni e quali sono i principali tipi, spiegato in modo semplice

Oggi conosciamo tantissime tipologie diverse di particelle ma, tra tutte, i bosoni sono tra quelle più famose. Il termine bosone deve il proprio nome al fisico S. N. Bose e in fisica indica una particella il cui spin è intero o nullo. In questo articolo vedremo non solo cos'è lo spin, quali sono i principali tipi di bosone e cos'è il famoso Bosone di Higgs.

Cosa sono i bosoni?

I bosoni sono particelle caratterizzate da spin intero o nullo – a differenza ad esempio degli elettroni che hanno spin pari a un mezzo. Ma esattamente, cos'è questo "spin"? Si tratta di una grandezza associata alle particelle che ne definisce una proprietà particolare, chiamata momento angolare intrinseco. Questo parametro è di difficile rappresentazione a scala microscopica, ma possiamo paragonarlo alla rotazione di un oggetto attorno al proprio asse, come una trottola. In generale, una particella può avere spin intero (1,2…) o semintero (multipli di 1/2). Quelle con spin semintero, invece, si chiamano fermioni, in onore di E. Fermi. Ma che cosa significa realmente avere spin intero o semintero?

Avere uno spin intero, come nel caso dei bosoni, significa che queste particelle si possono trovare nello stesso stato quantico simultaneamente, a differenza dei fermioni che devono invece occupare stati quantici differenti. Come è ben noto, infatti, gli elettroni (che sono dei fermioni) si muovono in determinati orbitali attorno al nucleo e possono avere soltanto un certo valore di spin, opposto a quello del proprio compagno di orbitale.

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Di Stefano Gandelli

Sia nella famiglia dei bosoni che in quella dei fermioni si possono trovare particelle elementari (ovvero indivisibili) e particelle composte (ovvero formate da più particelle elementari) – per calcolare lo spin di particelle composte, chiamate anche adroni, si sommano gli spin delle particelle elementari constituenti.
Di bosoni, dunque, ne esistono vari tipi: possono essere particelle elementari con spin intero, come i bosoni di gauge e il bosone di Higgs, o particelle composte con spin intero, come i mesoni. Tutte questi bosoni sono fondamentali per la costruzione della materia come la vediamo nella vita di tutti i giorni.

I tipi di bosone

Vediamo brevemente quali sono le principali tipologie di bosone.

I bosoni di gauge

Parliamo dei bosoni di gauge, ovvero dei portatori delle forze fondamentali che permettono lo scambio fra due corpi. Sono costituiti da particelle elementari e i più famoso è il fotone, il portatore dell’interazione elettromagnetica, identificato col simbolo γ. Ha spin uguale a 1, mentre massa e carica sono pari a 0. Poi c’è il gluone, il portatore della forza forte che tiene insieme il nucleo degli atomi, identificato con g. Spin, massa e carica sono identici al cugino fotone.

Esistono poi i bosoni W e Z, portatori di carica della forza debole, responsabili della radioattività. Il bosone W ha spin unitario e la sua carica può essere +1 o -1, come quella del protone o dell’elettrone. La sua massa equivale a 80.4 GeV/c². Questa strana unità di misura viene utilizzata in fisica della particelle quando si sfrutta la relazione della relatività ristretta, E=mc², per determinare rapidamente l’energia E della particella di massa m a velocità ultrarelativistica, ovvero prossima alla velocità della luce. Il bosone Z ha spin unitario, carica nulla e massa pari a 91.2 Gev/c². A questi si aggiungerebbe l’ipotetico gravitone, portatore della forza di gravità, non ancora scoperto.

Il bosone di Higgs

Uno tra i bosoni più famosi è il bosone di Higgs, particella che dà la massa alle altre particelle. Fu teorizzato da P. Higgs and F. Englert nel 1964 e misurato per la prima volta nel 20112 al CERN di Ginevra. Viene rappresentato spesso dal simbolo H⁰, ha spin nullo, carica nulla e massa pari a 125.35 GeV/c².

I mesoni

I mesoni sono particelle composte con spin intero, formate da quark e antiquark in egual misura. I quark sono le particelle fondamentali costituenti della materia e gli antiquark sono le antiparticelle dei quark, ovvero le stesse particelle ma con carica elettrica opposta. Un esempio di mesoni sono i pioni, formati da un quark e da un antiquark, e i kaoni. Altri bosoni, derivati da particelle composte, sono ad esempio gli atomi di elio liquido e le coppie di Cooper, responsabili della superconduttività.