I festeggiamenti sono iniziati oggi per commemorare il 125 ° compleanno del famoso fisico Satyendra Nath Bose, nato questo giorno nel 1894. Il nome di Bose era molto nelle notizie quando il CERN scoprì il bosone di Higgs qualche anno fa. Molti rapporti hanno sottolineato e celebrato il fatto che la parola “bosone” in “bosone di Higgs” era stata coniata dal cognome di Bose. Il bosone di Higgs non è l’unica particella, tuttavia, a godere di questo onore, e c’è infatti un’intera classe di particelle elementari che condividono un nome di gruppo – bosone.
Pensa alle molte particelle di cui hai sentito parlare, come elettroni, protoni, neutroni, neutrini e fotoni. Tutte le particelle in questa lista, tranne il fotone, sono cosiddette particelle di materia. Il fotone, d’altra parte, è un quantum, o piccolo fascio, del campo elettromagnetico.
La relazione tra particelle di materia e quanti di campo è semplice: le particelle di materia interagiscono tra loro scambiando i quanti di campo appropriati.
Una differenza fondamentale tra particelle di materia e quanti di campo è che mentre puoi spremere quanti di campo in un piccolo volume, non puoi farlo con la materia. Per vedere questo, prova a sederti vicino a un’altra persona – c’è un limite a quanto vicino puoi ottenere. Questo perché gli elettroni, protoni ecc nei nostri corpi resistono essere impilati uno sopra l’altro. Lo stesso non è il caso di quanti di campo, che può essere imballato come strettamente necessario.
Questa differenza essenziale deve essere affrontata quando osserviamo sistemi di particelle identiche, ad esempio collezioni di elettroni o fotoni. La differenza si manifesta nelle proprietà statistiche del sistema di molte particelle. Le particelle di materia come elettroni, protoni ecc obbediscono a ciò che è noto come la statistica di Fermi-Dirac e quindi sono noti come ‘Fermioni’. I quanti di campo, ad esempio, obbediscono a quelle che vengono chiamate Statistiche di Bose-Einstein e sono collettivamente chiamati ‘Bosoni’.
In generale sentiamo meno parlare di bosoni. C’è il bosone di Higgs che dà massa a particelle come protoni e neutroni. Ci sono i bosoni W e Z associati alla forza debole e ai nutrini.
Perché chiamarli bosoni?
Ora, perché queste particelle sono conosciute come bosoni? È stato Bose a capire (nel caso specifico dei fotoni) come si sarebbe comportato un gruppo di fotoni identici. Era interessato a riprodurre, matematicamente, la legge della radiazione di Planck usando solo idee di meccanica quantistica. Ha impiegato una tecnica in questo calcolo che ha gettato le basi della statistica quantistica. Ha poi inviato il suo documento ad Albert Einstein che ha riconosciuto il valore del suo calcolo e ha fatto tradurre il documento in tedesco e pubblicato sulla rivista Zeitschrift fur Physik. Questo documento si è rivelato seminale e la tecnica utilizzata da Bose va sotto il nome di Statistiche di Bose-Einstein e le particelle come i fotoni che obbediscono a queste statistiche sono chiamate bosoni.
Mentre Bose stesso non si rese conto dell’enorme svolta che aveva fatto, Einstein lo fece, e portò il lavoro di Bose molto oltre. Il fisico Paul Dirac fu il primo ad usare il termine “bosone” per descrivere le particelle che obbedivano alle statistiche di Bose-Einstein, al fine di celebrare il contributo di Bose allo sviluppo di questa teoria.