Hva er en boson?

Fermi National Accelerator Laboratory/Wikimedia Commons

I partikkelfysikk, a boson er en type partikkel som følger reglene for Bose-Einstein-statistikk. Disse bosonene har også en kvantespinn med inneholder en heltallsverdi, slik som 0, 1, -1, -2, 2, osv. (Til sammenligning finnes det andre typer partikler, kalt fermioner , som har et halvt heltallsspinn, for eksempel 1/2, -1/2, -3/2 og så videre.)

Hva er så spesielt med en boson?

Bosoner kalles noen ganger kraftpartikler, fordi det er bosonene som kontrollerer samspillet mellom fysiske krefter, slik som elektromagnetisme og muligens til og med selve tyngdekraften.

Navnet boson kommer fra etternavnet til den indiske fysikeren Satyendra Nath Bose, en strålende fysiker fra begynnelsen av det tjuende århundre som jobbet med Albert Einstein for å utvikle en analysemetode kalt Bose-Einstein-statistikk. I et forsøk på å fullt ut forstå Plancks lov (den termodynamiske likevektslikningen som kom ut av Max Plancks arbeid med svartkroppsstråling problem), foreslo Bose først metoden i et papir fra 1924 som forsøkte å analysere oppførselen til fotoner. Han sendte papiret til Einstein, som var i stand til å få det publisert ... og fortsatte deretter med å utvide Boses resonnement utover bare fotoner, men også til å gjelde materiepartikler.

En av de mest dramatiske effektene av Bose-Einstein-statistikk er spådommen om at bosoner kan overlappe og sameksistere med andre bosoner. Fermioner, derimot, kan ikke gjøre dette, fordi de følger Pauli eksklusjonsprinsipp (kjemikere fokuserer først og fremst på måten Pauli eksklusjonsprinsippet påvirker oppførselen til elektroner i bane rundt en atomkjerne.) På grunn av dette er det mulig for fotoner å bli en laser og noe materie er i stand til å danne den eksotiske tilstanden til en Bose-Einstein kondensat .

Grunnleggende bosoner

I følge standardmodellen for kvantefysikk er det en rekke grunnleggende bosoner, som ikke består av mindre partikler . Dette inkluderer de grunnleggende gauge-bosonene, partiklene som medierer fysikkens grunnleggende krefter (bortsett fra tyngdekraften, som vi kommer til om et øyeblikk). Disse fire gauge bosonene har spinn 1 og er alle eksperimentelt observert:

• Foton - Kjent som partikkelen av lys, fotoner bærer all elektromagnetisk energi og fungerer som målebosonet som medierer kraften til elektromagnetiske interaksjoner.
Lim– Gluoner medierer vekselvirkningene til den sterke kjernekraften, som binder seg sammen kvarker å danne protoner og nøytroner og holder også protonene og nøytronene sammen innenfor et atoms kjerne. W Boson– En av de to gauge bosonene som var involvert i å formidle den svake atomkraften. Z Boson– En av de to gauge bosonene som var involvert i å formidle den svake atomkraften.

I tillegg til det ovennevnte, er det andre grunnleggende bosoner forutsagt, men uten klar eksperimentell bekreftelse (ennå):

• Higgs Boson – I følge Standardmodellen er Higgs-bosonet partikkelen som gir opphav til all masse. Den 4. juli 2012 kunngjorde forskere ved Large Hadron Collider at de hadde god grunn til å tro at de hadde funnet bevis på Higgs-bosonet. Det pågår videre forskning i et forsøk på å få bedre informasjon om partikkelens eksakte egenskaper. Partikkelen er spådd å ha en kvantespinnverdi på 0, som er grunnen til at den er klassifisert som en boson.
• Tyngdekraften – Graviton er en teoretisk partikkel som ennå ikke er eksperimentelt oppdaget. Siden de andre fundamentale kreftene - elektromagnetisme, sterk kjernekraft og svak kjernekraft - alle er forklart i form av en måleboson som formidler kraften, var det bare naturlig å forsøke å bruke den samme mekanismen for å forklare tyngdekraften. Den resulterende teoretiske partikkelen er graviton, som er spådd å ha en kvantespinnverdi på 2.
Bosonic Superpartners- Under teorien om supersymmetri ville hver fermion ha en så langt uoppdaget bosonisk motstykke. Siden det er 12 fundamentale fermioner, vil dette antyde at - hvis supersymmetri er sant - det er ytterligere 12 grunnleggende bosoner som ennå ikke er oppdaget, antagelig fordi de er svært ustabile og har forfalt til andre former.

Sammensatte bosoner

Noen bosoner dannes når to eller flere partikler går sammen for å lage en heltallspinnpartikkel, for eksempel:

Mesoner- Mesoner dannes når to kvarker bindes sammen. Siden kvarker er fermioner og har halvtallsspinn, hvis to av dem er bundet sammen, vil spinnet til den resulterende partikkelen (som er summen av de individuelle spinnene) være et heltall, noe som gjør det til et boson.Helium-4 atom- Et helium-4-atom inneholder 2 protoner, 2 nøytroner og 2 elektroner ... og hvis du legger sammen alle disse spinnene, ender du opp med et heltall hver gang. Helium-4 er spesielt bemerkelsesverdig fordi det blir en supervæske når det avkjøles til ultralave temperaturer, noe som gjør det til et strålende eksempel på Bose-Einstein-statistikk i aksjon.

Hvis du følger regnestykket, vil enhver sammensatt partikkel som inneholder et partall fermioner være en boson, fordi et partall av halvheltall alltid vil summere seg til et heltall.