Pregúntele a Ethan: ¿Cuál es la diferencia entre fermiones y bosones?

Partículas del modelo estándar, con las masas indicadas en la esquina superior izquierda. Tres columnas izquierdas están ocupadas por fermiones, dos columnas derechas son bosones

En todo el universo, solo hay dos tipos de partículas fundamentales: fermiones y bosones. Cada partícula, además de las propiedades habituales que conoce, como la masa y la carga eléctrica, tiene su cantidad inherente de momento angular, conocida como giro. Las partículas con giros de medio entero (± 1/2, ± 3/2, ± 5/2, ..) se conocen como fermiones. Las partículas con espines enteros (0, ± 1, ± 2, ..) son bosones. No hay otras partículas, fundamentales o compuestas, en el Universo. ¿Pero por qué importa? Nuestro lector pregunta:

¿Podría explicar la diferencia entre fermiones y bosones? ¿Qué cambia al pasar de un giro completo a un medio entero?

A primera vista, la división de partículas en categorías por tales propiedades parece aleatoria.


Partículas conocidas en el modelo estándar. Todas estas son partículas fundamentales, descubiertas directamente. En un gravitón, aún sin descubrir, el giro será 2.

Después de todo, una partícula es una partícula, ¿no? Por supuesto, ¿hay más diferencia entre los quarks (sujetos a una interacción fuerte) y los leptones (no sujetos a ella) que entre los fermiones y los bosones? Por supuesto, ¿la diferencia entre materia y antimateria significa más que girar? ¿Es la presencia o ausencia de masa mucho más que algo tan trivial como el momento angular?

Resulta que hay varias diferencias pequeñas y significativas relacionadas con el giro, pero hay dos diferencias serias que tienen mucha más importancia de lo que la mayoría de la gente piensa, e incluso la mayoría de los físicos.


Fotones, partículas y antipartículas en el Universo temprano. Estaba lleno de bosones y fermiones, así como todos los antifermiones imaginables.

Primero, solo los fermiones tienen copias entre las antipartículas. Antipartícula para quark - antiquark. La antipartícula de un electrón es un positrón, mientras que un neutrino tiene un antineutrino. Los bosones, por otro lado, son antipartículas de otros bosones, y muchos bosones son antipartículas de sí mismos. No existe tal cosa como un antibosón. ¿Chocar un fotón con otro fotón? Z ⁰ con otro Z ⁰ ? Esto es lo mismo, en términos de la interacción de la materia y la antimateria, que la aniquilación de un electrón y un positrón.


Un bosón, como, por ejemplo, un fotón, puede ser una antipartícula por sí mismo, pero los fermiones y los antifermiones son diferentes (como un electrón y un positrón)

Las partículas compuestas se pueden crear a partir de fermiones: dos quarks superiores y uno inferior dan un protón (fermión), uno superior y dos inferiores dan un neutrón (fermión). Debido a la naturaleza del giro, si toma un número impar de fermiones y los une, la nueva partícula compuesta se comportará como un fermión. Es por eso que existen protones y antiprotones, y por lo tanto el neutrón es diferente del antineutrón. Y las partículas que consisten en un número par de fermiones, como una combinación quark-antiquark (conocida como mesón), se comporta como un bosón. El pión neutro π ⁰ es en sí mismo una antipartícula.

La razón es simple: cada uno de estos fermiones es una partícula con un giro de ± 1/2. Si agrega dos partículas juntas, obtendrá un objeto con un giro de -1, 0 o +1, es decir, un número entero (y, por lo tanto, es un bosón). Si agrega tres, obtiene un giro de -3/2, -1/2, +1/2 o +3/2, es decir, un fermión. Entonces, la diferencia en partículas y antipartículas es bastante grande. Pero hay una segunda diferencia, quizás aún más importante.


Niveles de energía para las energías más bajas posibles en un átomo de oxígeno neutro. Como los electrones son fermiones, no bosones, no todos pueden existir en el primer nivel, incluso a temperaturas arbitrariamente bajas.

El principio de prohibición de Pauli se aplica solo a los fermiones, y no a los bosones. Él postula que en cualquier sistema cuántico dos fermiones no pueden ocupar el mismo estado cuántico. Los bosones no tienen tales restricciones. Si toma el núcleo de un átomo y comienza a agregarle electrones, el primer electrón entrará en el estado fundamental, el estado con la energía más baja. Como se trata de una partícula con un giro de 1/2, el estado de su giro puede ser +1/2 o -1/2. Si agrega un segundo electrón al átomo, su giro estará en el estado opuesto, y también entrará en el estado con la energía más baja. Pero si agrega más electrones, no podrán entrar en el estado fundamental y necesitarán asentarse en el siguiente nivel de energía.


Los niveles de energía y las funciones de onda de los electrones correspondientes a varios estados del átomo de hidrógeno.

Es por eso que el sistema periódico de los elementos de Mendeleev está organizado de esta manera. Por lo tanto, los átomos tienen propiedades diferentes, se unen en combinaciones tan complejas y, por lo tanto, cada elemento de la tabla es único: la configuración de los electrones en cada átomo es diferente de todos los demás. El hecho de que dos fermiones no puedan estar en el mismo estado cuántico conduce a la aparición de ciertas propiedades físicas y químicas de los elementos, a una gran cantidad de combinaciones moleculares y a enlaces fundamentales debido a que son posibles las reacciones químicas complejas y la vida.


La forma en que los átomos se unen y forman moléculas, incluidas las orgánicas, solo es posible gracias al principio de prohibición de Pauli

Por otro lado, ¡tantos bosones como quieras pueden ser llevados al mismo estado cuántico! Esto le permite crear estados bosónicos especiales, conocidos como condensados ​​de Bose-Einstein. Al enfriar tanto a los bosones que entran en un estado con la menor energía, puede colocar cualquier número de ellos en un solo lugar. El helio (que consiste en un número par de fermiones, que se comporta como un bosón) a bajas temperaturas se convierte en un superfluido, el resultado de la condensación de Bose-Einstein. Hasta la fecha, gases, moléculas, cuasipartículas e incluso fotones han logrado llevar a tal estado. La investigación activa todavía está en curso en esta área.


Átomos de rubidio antes (izquierda), durante (en el medio) y después (derecha) la transición al estado de condensado de Bose-Einstein. El gráfico muestra cómo los átomos se condensan de regiones menos densas de rojo, amarillo y verde a azul y blanco más densos

El hecho de que los electrones sean fermiones conduce al hecho de que las estrellas enanas no colapsan bajo su propio peso; El hecho de que los neutrones sean fermiones lleva al hecho de que el colapso de las estrellas de neutrones se detiene en algún momento. El principio de prohibición de Pauli, responsable de la estructura atómica, evita que los objetos físicos más densos se conviertan en agujeros negros.


La enana blanca, la estrella de neutrones, e incluso la estrella de quark, de todos modos consisten en fermiones.

Cuando la materia o la antimateria aniquilan o se descomponen, calientan el sistema a temperaturas dependiendo de si las partículas obedecen las estadísticas de Fermi-Dirac (para fermiones) o Bose-Einstein (para bosones). Por lo tanto, hoy la temperatura de la radiación CMB es de 2.73 K, y la radiación de neutrinos de fondo es 0.8 K más baja: esto se debió a la aniquilación y a estas estadísticas, que funcionaron en el Universo temprano.


Ajuste de la cantidad de neutrinos para que coincida con los datos sobre las fluctuaciones del CMB. Los datos coinciden con la radiación de neutrinos, cuya temperatura equivalente a la energía es 1.95 K, mucho menos que la de los fotones CMB

El hecho de que el espín sea semi integral en fermiones, y el conjunto en los bosones es interesante en sí mismo, pero es mucho más interesante que estas dos clases de partículas obedezcan diferentes reglas cuánticas. En un nivel fundamental, estas diferencias hacen posible nuestra existencia. Este es un buen resultado para cosas tan pequeñas como la diferencia de ± 1/2 en el momento angular interno. Pero las vastas consecuencias de una regla aparentemente puramente cuántica ilustran cuán importante puede ser el giro y la diferencia entre bosones y fermiones.

Ethan Siegel - astrofísico, divulgador científico, autor de ¡Comienza con un golpe! Escribió los libros "Más allá de la galaxia" [ Más allá de la galaxia ] y "Tracknología: la ciencia de Star Trek" [ Treknology ].