Ορισμός ενός σωματιδίου Boson

Στη φυσική των σωματιδίων, α μποζόν είναι ένας τύπος σωματιδίου που υπακούει στους κανόνες των στατιστικών του Bose-Einstein. Αυτά τα μποζόνια έχουν επίσης ένα κβαντική περιστροφή με περιέχει μια ακέραια τιμή, όπως 0, 1, -1, -2, 2, κλπ. (Συγκριτικά, υπάρχουν και άλλοι τύποι σωματιδίων που ονομάζονται φερμιόνια, που έχουν περιστροφή με μισό ακέραιο, όπως 1/2, -1/2, -3/2, και ούτω καθεξής.)

Οι βοσόνιοι αποκαλούνται μερικές φορές σωματίδια δύναμης, επειδή είναι τα μποζόνια που ελέγχουν την αλληλεπίδραση των φυσικών δυνάμεων, όπως ο ηλεκτρομαγνητισμός και ίσως και η ίδια η βαρύτητα.

Το όνομα boson προέρχεται από το επώνυμο του ινδικού φυσικού Satyendra Nath Bose, ένας λαμπρός φυσικός από το στις αρχές του εικοστού αιώνα που συνεργάστηκε με τον Albert Einstein για να αναπτύξει μια μέθοδο ανάλυσης που ονομάζεται Bose-Einstein στατιστική. Σε μια προσπάθεια να κατανοήσουμε πλήρως τον νόμο του Planck (την εξίσωση ισορροπίας θερμοδυναμικής που προέκυψε από το έργο του Max Planck για το

Ένα από τα πιο δραματικά αποτελέσματα των στατιστικών του Bose-Einstein είναι η πρόβλεψη ότι τα μποζόνια μπορούν να αλληλεπικαλύπτονται και να συνυπάρχουν με άλλα μποζόνια. Οι Fermions, από την άλλη πλευρά, δεν μπορούν να το κάνουν αυτό, επειδή ακολουθούν το Αρχή αποκλεισμού Pauli (οι χημικοί εστιάζουν κυρίως στον τρόπο με τον οποίο η αρχή αποκλεισμού Pauli επηρεάζει τη συμπεριφορά των ηλεκτρονίων σε τροχιά γύρω από έναν ατομικό πυρήνα.) Λόγω αυτού, είναι δυνατόν τα φωτόνια να γίνουν λέιζερ και κάποια ύλη είναι σε θέση να σχηματίσουν την εξωτική κατάσταση ενός Συμπύκνωμα Bose-Einstein.

Σύμφωνα με το Πρότυπο Μοντέλο της Κβαντικής Φυσικής, υπάρχουν ορισμένα βασικά μποζόνια, τα οποία δεν αποτελούνται από μικρότερα σωματίδια. Αυτό περιλαμβάνει τα βασικά βοσόνια μετρητών, τα σωματίδια που μεσολαβούν θεμελιώδεις δυνάμεις της φυσικής (εκτός από τη βαρύτητα, την οποία θα φτάσουμε σε μια στιγμή). Αυτά τα τέσσερα μποζόνια έχουν περιστροφή 1 και όλα έχουν παρατηρηθεί πειραματικά:

• Φωτόνιο - Γνωστή ως το σωματίδιο του φωτός, τα φωτόνια φέρουν όλη την ηλεκτρομαγνητική ενέργεια και δρουν ως το βοσόν μετρητή που μεσολαβεί στη δύναμη των ηλεκτρομαγνητικών αλληλεπιδράσεων.
• Γλουόνη - Τα γλουτόνια μεσολαβούν στις αλληλεπιδράσεις της ισχυρής πυρηνικής δύναμης, η οποία δεσμεύεται μαζί κουάρκ σχηματίζω πρωτόνια και νετρόνια και επίσης κρατά τα πρωτόνια και τα νετρόνια μαζί μέσα στον πυρήνα ενός ατόμου.
• W Boson - Ένα από τα δύο μποζόνια μετρητών που εμπλέκονται στη διαμεσολάβηση της αδύναμης πυρηνικής δύναμης.
• Z Boson - Ένα από τα δύο μποζόνια μετρητών που εμπλέκονται στη διαμεσολάβηση της αδύναμης πυρηνικής δύναμης.

Εκτός από τα παραπάνω, υπάρχουν και άλλα θεμελιώδη bosons που προβλέπονται, αλλά χωρίς σαφή πειραματική επιβεβαίωση (ακόμα):

• Μποζόνιο Χιγκς - Σύμφωνα με το Πρότυπο Μοντέλο, ο Βόσμων Χιγκς είναι το σωματίδιο που δημιουργεί όλη τη μάζα. Στις 4 Ιουλίου 2012, οι επιστήμονες στο Large Hadron Collider ανακοίνωσαν ότι είχαν καλό λόγο να πιστεύουν ότι βρήκαν στοιχεία για το Βόσμιο του Higgs. Περαιτέρω έρευνα βρίσκεται σε εξέλιξη σε μια προσπάθεια καλύτερης ενημέρωσης σχετικά με τις ακριβείς ιδιότητες του σωματιδίου. Το σωματίδιο προβλέπεται ότι έχει κβαντική τιμή περιστροφής 0, γι 'αυτό ταξινομείται ως ένα μποζόνιο.
• Graviton - Το βαρύτονο είναι ένα θεωρητικό σωματίδιο που δεν έχει ακόμη ανιχνευθεί πειραματικά. Δεδομένου ότι οι άλλες θεμελιώδεις δυνάμεις - ηλεκτρομαγνητισμός, ισχυρή πυρηνική δύναμη και αδύναμη πυρηνική δύναμη - εξηγούνται όλες όροι ενός μποζόν μετρητή που μεσολαβεί στη δύναμη, ήταν φυσικό να προσπαθήσουμε να χρησιμοποιήσουμε τον ίδιο μηχανισμό για να εξηγήσουμε βαρύτητα. Το προκύπτον θεωρητικό σωματίδιο είναι το graviton, το οποίο προβλέπεται να έχει κβαντική τιμή περιστροφής 2.
• Bosonic Superpartners - Σύμφωνα με τη θεωρία της υπερσυμμετρίας, κάθε φερμιόν θα είχε ένα τόσο ανυπόστατο βοσνόνιο αντίστοιχο. Δεδομένου ότι υπάρχουν 12 θεμελιώδεις φερμιόνες, αυτό θα έλεγε ότι - αν υπάρχει υπερσυμμετρία - υπάρχουν άλλα 12 βασικά μποζόνια που δεν έχουν ακόμη ανιχνευθεί, πιθανώς επειδή είναι εξαιρετικά ασταθή και έχουν καταστραφεί άλλες μορφές.

Ορισμένα μποζόνια σχηματίζονται όταν δύο ή περισσότερα σωματίδια ενώνονται μεταξύ τους για να δημιουργήσουν ένα σωματίδιο ακέραιου σπιν, όπως:

• Mesons - Τα μεσαία σχηματίζονται όταν δύο κουάρκ δεσμούν μαζί. Επειδή τα κουάρκ είναι φερμιόνια και έχουν περιστροφές μισού-ακέραιου, αν δύο είναι δεμένα μαζί, τότε το γύρισμα του προκύπτοντος σωματιδίου (το οποίο είναι το άθροισμα των μεμονωμένων περιστροφών) θα ήταν ένας ακέραιος, καθιστώντας το α μποζόν.
• Ερώμιο-4 άτομο - Ένα άτομο ηλίου-4 περιέχει 2 πρωτόνια, 2 νετρόνια και 2 ηλεκτρόνια... και αν προσθέσετε όλες αυτές τις περιστροφές, θα καταλήξετε με ακέραιο κάθε φορά. Το Ηλίιο-4 είναι ιδιαίτερα αξιοσημείωτο γιατί γίνεται υπερρευστό όταν ψύχεται σε εξαιρετικά χαμηλές θερμοκρασίες, καθιστώντας το ένα λαμπρό παράδειγμα στατιστικών Bose-Einstein σε δράση.

Εάν ακολουθείτε το μαθηματικό, οποιοδήποτε σύνθετο σωματίδιο που περιέχει έναν ζυγό αριθμό fermions πρόκειται να είναι ένα μποζόνιο, επειδή ένας ζυγός αριθμός μισών ακέραιων αριθμών θα προσθέσει πάντοτε έναν ακέραιο αριθμό.