Bosón W y Z

Los bosones W y Z son las partículas mediadoras de la interacción nuclear débil, una de las cuatro interacciones fundamentales de la naturaleza. Son tres tipos de partículas fundamentales muy masivas (dos tipo W y una Z) que se encargan en general de cambiar el sabor de otras partículas: los leptones y los quarks.

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Fueron descubiertas en el CERN, en 1983; aunque su existencia y características generales habían sido predichas mucho antes. El bosón W, del que hay dos tipos, recibe ése nombre de la palabra inglesa weak, por la interacción débil a la que caracteriza. El bosón Z puede haber recibido ése nombre por ser el último de los tres en descubrirse, o tal vez por tener carga eléctrica zero. En español también se suelen conocer como bosones intermedios.

Propiedades

Existen dos tipos de bosones W: uno con carga eléctrica positiva igual a la carga elemental y el otro con la misma carga pero negativa. Se simbolizan W+ y W− y cada uno es la antipartícula del otro. El bosón Z es eléctricamente neutro y es su propia antipartícula.

Los tres tipos de bosones son muy masivos para ser partículas elementales. Los bosones W tienen una masa de 80,4 GeV/c² y el bosón Z de 91,2 GeV/c². Son más masivos que los núcleos de hierro, lo que explica perfectamente que las distancias a las que ésta interacción actúa sean tan pequeñas, del orden de 10^-18 m. Los tres bosones tienen un spin de 1, y una vida media muy corta del orden de 10^-25 segundos.

W y Z en la interacción débil

Cuando un leptón o un quark parece convertirse en uno más ligero (se desintegra o decae), se dice que cambian de sabor. Todos los procesos de cambio de sabor se deben a la interacción débil, y en todas ellas interviene uno de los tres tipos de bosones intermedios.

Uno de los procesos más importantes en los que intervienen los bosones W es la desintegración beta, en la que un neutrón se 'convierte' en un protón:

Como podemos observar, el neutrón se convierte en un protón y emite además un electrón y un electrón-antineutrino. Pero el neutrón no es una partícula elemental, está hecho de 2 quarks abajo y un quark arriba (y además de gluones), y se convierte en protón porque uno de los quarks abajo cambia su sabor a arriba.

Pero el quark abajo no es el que emite el electrón y el neutrino. De hecho, el quark abajo solo se convierte en el quark arriba y en un bosón W negativo (para conservar la carga eléctrica del sistema). Es el bosón W el que casi instantáneamente después decae en los dos leptones.

En el caso de la emisión de positrones, el bosón intermedio implicado es el positivo; se trata de la conversión de un protón en neutrón, positrón y electrón-neutrino.

Viendo los casos anteriores, pareciese que el bosón Z debe intervenir en los procesos que no implican cambio en la carga eléctrica de la partícula afectada (pero sí cambio de sabor), pero éste no es el caso. Éste bosón solo actúa como portador de momento lineal: cuando dos partículas se intercambian un bosón Z una le está pasando momento a la otra. Éste intercambio se llama interacción de corriente neutra, ninguna de las partículas afectadas cambia de sabor y su estudio requiere el uso de los aceleradores de partículas más energéticos del mundo.

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