Cos'è un Bosone? (Attenzione non un Busone)

In questi giorni si parla ai telegiornali e si legge sui giornali del "bosone di Higgs" ma non si sente quasi mai spiegare che cosa sia un bosone.

Breve introduzione storica

Innanzitutto il termine deriva dal fisico indiano Bose che, all'inizio dello scorso secolo, studiò il comportamento dei fotoni (ovvero delle particelle di luce) assieme ad Einstein. Bose, durante una lezione fece un banale errore di statistica nello scrivere una formula, ma si accorse che questa formula, per quanto sbagliata, descriveva bene il comportamento di alcune particelle. Nessuno gli credette, a parte Einstein, grazie al supporto scientifico del quale riuscì a pubblicare il suo lavoro. Bose, nonostante il suo importantissimo lavoro, non prese il Nobel.

Viaggio verso il microcosmo

Detto questo, dobbiamo iniziare il viaggio verso il microcosmo, perché credo che sia chiaro che un bosone sia una particella: qualcosa di molto molto piccolo.

Il punto di partenza del viaggio è l'atomo: formato da protoni e neutroni che costituiscono il nucleo, e da elettroni. Mentre questi ultimi sono particelle elementari (ovvero non sono formate a loro volta da altre particelle), protoni e neutroni non lo sono in quanto composti da quark. I quark, invece, sono particelle elementari! Quindi, possiamo dire che gli atomi (e in generale tutta la materia che ci forma) siano formati, a livello fondamentale, da quark ed elettroni. Queste particelle elementari hanno delle caratteristiche intrinseche: una massa, una carica elettrica, un'energia e uno spin (ne hanno anche altre, però le lasciamo perdere). Mentre la massa, la carica elettrica e l'energia sono quantità fisiche di cui facciamo esperienza anche nella vita quotidiana, lo spin non lo conosciamo per nulla. Infatti è una proprietà tipica delle particelle elementari e non ha corrispondenti nella nostra esperienza. Potremmo però dire che assomiglia, grossolanamente, alla rotazione di una trottola attorno al proprio asse.

Perché lo spin è diverso dalla rotazione a cui siamo abituati a pensare?

1. Per esempio perché la nostra esperienza ci porta a dire che il modo in cui una trottola (quindi un oggetto macroscopico) ruota attorno al suo asse dipende anche dalla sua massa. Nelle particelle lo spin non dipende dalla massa. 
2. Un'altra differenze è che le particelle elementari possono avere solo certi valori ben definiti di spin, mentre nella nostra esperienza quotidiana sappiamo che una trottola che ruota può avere infinite velocità. 
3. Inoltre, una trottola che ruota può cambiare la sua velocità. Invece lo spin di una particella non diminuisce né aumenta, è sempre lo stesso (può solo invertirsi, ma questo è una cosa a parte).

Perché tutto sto discorso sullo spin?

Perché, usando lo spin, i fisici dividono le particelle elementari in due classi: i "fermioni", che sono particelle con spin frazionario (es. 1/2) e i "bosoni", che hanno spin intero (es. 1). Quark ed elettroni (i componenti degli atomi) hanno spin=1/2, quindi sono dei fermioni. E chi sono i bosoni? Un esempio di bosone è il fotone, una particella elementare che altro non è che la luce!

Torniamo per un attimo a dove eravamo partiti.

Cosa scoprirono Bose e Einstein (assieme a Fermi e Dirac) all'inizio dello scorso secolo?

Scoprirono che, a temperature molto basse e/o a elevate densità (molto diverse da quelle della nostra vita quotidiana) bosoni e fermioni si comportano in modo molto differente. Premettendo che (a velocità molto inferiori rispetto a quelle della luce) massa e carica di una particella non cambiano, mentre l'energia e lo spin si possono modificare, si ha che:

• I bosoni possono avere tutti la stessa energia e lo stesso spin. 
• I fermini o hanno la stessa energia e spin opposto, oppure se hanno stesso spin devo avere energia diversa.

Perché è importante studiare  queste particelle?

I fermioni sono i mattoncini della materia: abbiamo visto che formano gli atomi, quindi conoscerne il comportamento aiuta a comprendere meglio la materia fatta di atomi.

I bosoni invece svolgono un altro ruolo importantissimo: sono le particelle che "trasportano" le forze fondamentali della natura. Senza di essi tutto ciò che esiste non starebbe unito, non potrebbe interagire, non riuscirebbe a far sentire la sua presenza; insomma, l'universo non sarebbe quello che è e forse non potrebbe nemmeno esistere.  Le forze fondamentali della natura sono quattro: la forza elettromagnetica e quella gravitazionale le conosciamo dall'esperienza quotidiana, poi ci sono la forza forte e quella debole, di cui non facciamo esperienza diretta ma che sono importanti per tenere uniti gli atomi.

Ogni forza ha la sua particella che funge da messaggera. Per la forza elettromagnetica c'è il "fotone", per la forza gravitazionale si pensa che ci sia il "gravitone" (non è stato ancora scoperto), per la forza forte ci sono i "gluoni" e per quella debole ci sono le particelle "W e Z" (la cui scoperta è valso il Nobel per la fisica a Carlo Rubbia circa 30 anni fa).

Tutte queste particelle sono dei bosoni, perché hanno spin intero. E il bosone di Higgs? Beh, cosa sia e cosa faccia lo hanno già detto in tanti!