Co to jest bozon?

Fermi National Accelerator Laboratory/Wikimedia Commons

W fizyce cząstek elementarnych bozon to rodzaj cząstki, która podlega zasadom statystyki Bosego-Einsteina. Te bozony również mają spin kwantowy z zawiera wartość całkowitą, taką jak 0, 1, -1, -2, 2 itd. (Dla porównania istnieją inne typy cząstek, zwane fermiony , które mają spin o połowę liczby całkowitej, na przykład 1/2, -1/2, -3/2 itd.)

Co jest takiego specjalnego w bozonie?

Bozony są czasami nazywane cząstkami sił, ponieważ to bozony kontrolują oddziaływanie sił fizycznych, takich jak elektromagnetyzm, a być może nawet sama grawitacja.

Nazwa bozon pochodzi od nazwiska indyjskiego fizyka Satyendry Nath Bose, genialnego fizyka z początku XX wieku, który współpracował z Albertem Einsteinem nad opracowaniem metody analizy zwanej statystyką Bosego-Einsteina. Próbując w pełni zrozumieć prawo Plancka (równanie równowagi termodynamiki, które wyszło z pracy Maxa Plancka na temat promieniowanie ciała doskonale czarnego problem), Bose jako pierwszy zaproponował tę metodę w pracy z 1924 r., próbując przeanalizować zachowanie fotonów. Wysłał artykuł do Einsteina, któremu udało się go opublikować… a następnie rozszerzył rozumowanie Bosego poza zwykłe fotony, ale także na cząstki materii.

Jednym z najbardziej dramatycznych efektów statystyk Bosego-Einsteina jest przewidywanie, że bozony mogą nakładać się i współistnieć z innymi bozonami. Z drugiej strony Fermiony nie mogą tego zrobić, ponieważ podążają za Zasada wykluczenia Pauliego (chemicy skupiają się przede wszystkim na sposobie, w jaki Zasada Wykluczenia Pauliego wpływa na zachowanie elektronów na orbicie wokół jądra atomowego). Z tego powodu fotony mogą stać się laser a jakaś materia jest w stanie stworzyć egzotyczny stan Kondensat Bosego-Einsteina .

Podstawowe bozony

Zgodnie z Modelem Standardowym fizyki kwantowej istnieje szereg podstawowych bozonów, które nie składają się z mniejszych cząstki . Obejmuje to podstawowe bozony cechowania, cząstki, które pośredniczą w podstawowe siły fizyki (poza grawitacją, do której przejdziemy za chwilę). Te cztery bozony cechowania mają spin 1 i wszystkie zostały zaobserwowane eksperymentalnie:

• Foton - Znane jako cząsteczka światła, fotony przenoszą całą energię elektromagnetyczną i działają jako bozon cechowania, który pośredniczy w oddziaływaniach elektromagnetycznych.
Klej- Gluony pośredniczą w oddziaływaniach silnej siły jądrowej, która wiąże się ze sobą kwarki kształtować protony oraz neutrony a także utrzymuje razem protony i neutrony w jądrze atomowym. W Bozon- Jeden z dwóch bozonów cechowania zaangażowanych w pośredniczenie słabej siły jądrowej. Z Bozon- Jeden z dwóch bozonów cechowania zaangażowanych w pośredniczenie słabej siły jądrowej.

Oprócz powyższego przewidywane są inne podstawowe bozony, ale bez wyraźnego potwierdzenia eksperymentalnego (jeszcze):

• Bozon Higgsa - Zgodnie z Modelem Standardowym Bozon Higgsa jest cząstką, z której powstaje cała masa. 4 lipca 2012 r. naukowcy z Wielkiego Zderzacza Hadronów ogłosili, że mają powody, by sądzić, że znaleźli dowody na istnienie bozonu Higgsa. Trwają dalsze badania mające na celu uzyskanie lepszych informacji o dokładnych właściwościach cząstki. Przewiduje się, że cząsteczka ma spin kwantowy o wartości 0, dlatego klasyfikuje się ją jako bozon.
• Powaga - Grawiton jest cząstką teoretyczną, która nie została jeszcze wykryta doświadczalnie. Ponieważ inne fundamentalne siły – elektromagnetyzm, silna siła jądrowa i słaba siła jądrowa – są wyjaśnione w kategoriach bozonu cechowania, który pośredniczy w oddziaływaniu, naturalne było użycie tego samego mechanizmu do wyjaśnienia grawitacji. Powstała cząstka teoretyczna to grawiton, który według prognoz ma spin kwantowy równy 2.
Bosońscy Superpartnerzy- Zgodnie z teorią supersymetrii każdy fermion miałby niewykryty dotąd bozonowy odpowiednik. Ponieważ istnieje 12 fundamentalnych fermionów, sugeruje to, że jeśli supersymetria jest prawdziwa, istnieje jeszcze 12 podstawowych bozonów, które nie zostały jeszcze wykryte, prawdopodobnie dlatego, że są bardzo niestabilne i rozpadły się na inne formy.

Bozony kompozytowe

Niektóre bozony powstają, gdy dwie lub więcej cząstek połączy się, tworząc cząstkę o spinie całkowitym, na przykład:

Mezony- Mezony powstają, gdy dwa kwarki łączą się ze sobą. Ponieważ kwarki są fermionami i mają spiny połówkowe, jeśli dwa z nich są ze sobą związane, wówczas spin powstałej cząstki (będącej sumą pojedynczych spinów) będzie liczbą całkowitą, co czyni ją bozonem.atom helu-4- Atom helu-4 zawiera 2 protony, 2 neutrony i 2 elektrony... a jeśli zsumujesz wszystkie te spiny, za każdym razem otrzymasz liczbę całkowitą. Hel-4 jest szczególnie godny uwagi, ponieważ staje się nadciekły po schłodzeniu do bardzo niskich temperatur, co czyni go doskonałym przykładem statystyk Bosego-Einsteina w akcji.

Jeśli trzymasz się matematyki, każda cząstka złożona, która zawiera parzystą liczbę fermionów, będzie bozonem, ponieważ parzysta liczba połówkowych zawsze sumuje się do liczby całkowitej.