Vad är en Boson?

I partikelfysik, a boson är en typ av partikel som följer reglerna i Bose-Einstein-statistiken. Dessa bosoner har också en kvantspinn med innehåller ett heltal, såsom 0, 1, -1, -2, 2, etc. (Jämförelse finns att det finns andra typer av partiklar, fermioner, som har en halv heltal snurr, såsom 1/2, -1/2, -3/2, och så vidare.)

Vad är så speciellt med en Boson?

Bosoner kallas ibland kraftpartiklar, eftersom det är bosonerna som styr samverkan mellan fysiska krafter, till exempel elektromagnetism och eventuellt till och med tyngdkraften själv.

Namnet boson kommer från efternamnet till den indiska fysikern Satyendra Nath Bose, en lysande fysiker från början av det tjugonde århundradet som arbetade med Albert Einstein för att utveckla en analysmetod som kallas Bose-Einstein statistik. I ett försök att fullständigt förstå Plancks lag (den termodynamiska jämviktsekvationen som kom ut från Max Plancks arbete med strålningsproblemet för svartkroppen) föreslog Bose först metoden i ett papper från 1924 som försökte analysera fotonernas beteende. Han skickade papperet till Einstein, som kunde få det publicerat ... och fortsatte sedan Boses resonemang utöver bara fotoner, men även för materiella partiklar.

En av de mest dramatiska effekterna av Bose-Einstein-statistiken är förutsägelsen att bosoner kan överlappa varandra och samexistera med andra bosoner. Fermions, å andra sidan, kan inte göra detta, eftersom de följer Pauli-uteslutningsprincipen (kemister fokuserar främst på hur Pauli-uteslutningsprincipen påverkar beteendet hos elektroner i omloppsbana runt en atomkärna.) På grund av detta är det möjligt för fotoner för att bli en laser och en del materia kan bilda det exotiska tillståndet för ett Bose-Einstein-kondensat.

Grundläggande bosoner

Enligt standardmodellen för kvantfysik finns det ett antal grundläggande bosoner som inte består av mindre partiklar. Detta inkluderar de grundläggande gauge-bosonerna, partiklarna som medierar de grundläggande krafterna i fysik (med undantag för tyngdkraft, som vi kommer att få till i ett ögonblick) Dessa fyra mätare har spinn 1 och har alla observerats experimentellt:

• Foton - Känd som ljuspartikeln bär fotoner all elektromagnetisk energi och fungerar som mätbosonen som förmedlar kraften i elektromagnetiska interaktioner.
• gluon - Gluoner förmedlar växelverkan mellan den starka kärnkraften, som binder samman kvarkar för att bilda protoner och neutroner och håller också protonerna och neutronerna i en atomkärna.
• W Boson - En av de två mästare som var inblandade i att förmedla den svaga kärnkraften.
• Z Boson - En av de två mästare som var inblandade i att förmedla den svaga kärnkraften.

Förutom ovanstående finns det andra grundläggande bosoner som förutspås, men utan klar experimentell bekräftelse (ännu):

• Higgs Boson - Enligt standardmodellen är Higgs Boson den partikel som ger upphov till all massa. Den 4 juli 2012 meddelade forskare vid Large Hadron Collider att de hade goda skäl att tro att de hade hittat bevis på Higgs Boson. Ytterligare forskning pågår i ett försök att få bättre information om partikelns exakta egenskaper. Partiklarna förutsägs ha ett kvantspinnvärde på 0, varför den klassificeras som en boson.
• Graviton - Graviton är en teoretisk partikel som ännu inte har upptäckts experimentellt. Eftersom de andra grundläggande krafterna - elektromagnetism, stark kärnkraft och svag kärnkraft - alla förklaras i termer av en mätbosson som förmedlar kraften, var det bara naturligt att försöka använda samma mekanism för att förklara tyngdkraften. Den resulterande teoretiska partikeln är graviton, som förutses ha ett kvantspinnvärde på 2.
• Bosonic Superpartners - Enligt teorin om supersymmetri skulle varje fermion ha en så långt oupptäckt bosonisk motsvarighet. Eftersom det finns 12 grundläggande fermioner, tyder detta på att - om supersymmetri är sant - det finns ytterligare 12 grundläggande bosoner som ännu inte har upptäckts, antagligen för att de är mycket instabila och har förfallit till andra former.

Sammansatta bosoner

Vissa bosoner bildas när två eller flera partiklar sammanfogas för att skapa en heltal-spin-partikel, såsom:

• mesoner - Mesoner bildas när två kvarkar binds samman. Eftersom kvarkar är fermioner och har halva heltalspins, om två av dem är bundna ihop, skulle rotationen av den resulterande partikeln (som är summan av de enskilda snurrarna) vara ett heltal, vilket gör det till en boson.
• Helium-4 atom - En helium-4 atom innehåller 2 protoner, 2 neutroner och 2 elektroner ... och om du lägger till alla dessa snurr, kommer du att sluta med ett heltal varje gång. Helium-4 är särskilt anmärkningsvärd eftersom den blir en överflödig vätska när den kyls till extremt låga temperaturer, vilket gör det till ett lysande exempel på Bose-Einstein-statistik i aktion.

Om du följer matematiken kommer alla sammansatta partiklar som innehåller ett jämnt antal fermioner att bli en boson, eftersom ett jämnt antal halva heltal alltid kommer att lägga till ett heltal.