Definisjon av en Boson-partikkel

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

Bosoner kalles noen ganger kraftpartikler, fordi det er bosonene som styrer samspillet mellom fysiske krefter, for eksempel elektromagnetisme og muligens til og med tyngdekraften i seg selv.

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 forstå Plancks lov fullt ut (den termodynamiske likevektsligningen som kom ut av Max Plancks arbeid med blackbody-stråling problem), foreslo Bose først metoden i et papir fra 1924 som prøvde å analysere fotonenes oppførsel. 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 for materiepartikler.

En av de mest dramatiske effektene av Bose-Einstein-statistikken er spådommen om at bosoner kan overlappe hverandre og sameksistere med andre bosoner. Fermions, derimot, kan ikke gjøre dette, fordi de følger Pauli-eksklusjonsprinsipp (kjemikere fokuserer først og fremst på hvordan Pauli-eksklusjonsprinsippet påvirker atferden 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 a Bose-Einstein kondensat.

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

• Photon - Photons, kjent som partikkel av lys, bærer all elektromagnetisk energi og fungerer som måleboson som medier kraften til elektromagnetiske interaksjoner.
• gluon - Gluoner formidler interaksjonene til den sterke atomkraften, som binder sammen kvarker å danne protoner og nøytroner og holder også protonene og nøytronene sammen i et atomkjerne.
• W Boson - En av de to målebosonene som var med å formidle den svake atomstyrken.
• Z Boson - En av de to målebosonene som var med å formidle den svake atomstyrken.

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

• Higgs Boson - I henhold til standardmodellen er Higgs Boson partikkelen som gir opphav til all masse. 4. juli 2012 kunngjorde forskere ved Large Hadron Collider at de hadde god grunn til å tro at de hadde funnet bevis på Higgs Boson. Videre forskning pågår i et forsøk på å få bedre informasjon om partikkelens eksakte egenskaper. Partikelen er spådd å ha en kvantespinnverdi på 0, og det er derfor den er klassifisert som en boson.
• Graviton - Gravitonet er en teoretisk partikkel som ennå ikke er blitt påvist eksperimentelt. Siden de andre grunnleggende kreftene - elektromagnetisme, sterk kjernekraft og svak kjernekraft - er alle forklart i uttrykk for en måleboson som mekler styrken, var det bare naturlig å forsøke å bruke den samme mekanismen for å forklare tyngde. Den resulterende teoretiske partikkelen er graviton, som er spådd å ha en kvantespinnverdi på 2.
• Bosonic Superpartners - Under teorien om supersymmetri ville enhver fermion ha en så langt uoppdaget bosonisk motstykke. Siden det er 12 grunnleggende fermioner, antyder dette 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 andre former.

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

• -mesoner - Mesoner dannes når to kvarker binder seg sammen. Siden kvarker er fermioner og har halvtall-spinn, hvis to av dem er bundet sammen, så snurrer spinnet av den resulterende partikkelen (som er summen av de individuelle spinnene) ville være et helt tall, noe som gjør det til en boson.
• Helium-4 atom - Et helium-4 atom inneholder 2 protoner, 2 nøytroner og 2 elektroner... og hvis du legger opp alle disse spinnene, ender du opp med et heltall hver gang. Helium-4 er spesielt bemerkelsesverdig fordi den blir overflødig når den avkjøles til ultra-lave temperaturer, noe som gjør det til et strålende eksempel på Bose-Einstein-statistikk i aksjon.

Hvis du følger matematikken, vil enhver sammensatt partikkel som inneholder et jevnt antall fermioner være en boson, fordi et jevnt antall halvtall alltid vil legge til et heltall.