Definition av en Boson-partikel

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. (Som jämförelse finns det andra typer av partiklar, kallade fermioner, som har en halv-heltal snurr, såsom 1/2, -1/2, -3/2, och så vidare.)

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 tidigt tjugonde århundrade som arbetade med Albert Einstein för att utveckla en analysmetod som kallas Bose-Einstein statistik. I ett försök att helt förstå Plancks lag (den termodynamiska jämviktsekvationen som kom ut ur Max Plancks arbete med svartkroppsstrålning problem) föreslog Bose först metoden i ett papper från 1924 som försökte analysera fotonernas beteende. Han skickade papperet till Einstein, som kunde publicera det... och fortsatte sedan Boses resonemang utöver bara fotoner, men även för materiapartiklar.

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-uteslutningsprincip (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 att bli en laser och en del materia kan bilda ett exotiskt tillstånd Bose-Einstein kondensat.

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 fysiska grundkrafter (med undantag för tyngdkraften, som vi kommer att få till på 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 samspelet mellan den starka kärnkraften, som binder samman kvarkar att forma protoner och neutroner och håller också protonerna och neutronerna samman i en atoms kärna.
• 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 - förklaras alla i termer av en mätboson som förmedlar kraften, var det bara naturligt att försöka använda samma mekanism för att förklara allvar. 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 - finns det ytterligare 12 grundläggande bosoner som ännu inte har upptäckts, antagligen för att de är mycket instabila och har förfallit till andra former.

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

• mesoner - Mesoner bildas när två kvarkar binds samman. Eftersom kvarkar är fermioner och har halva heltal snurr, om två av dem är bundna ihop, så snurrar av den resulterande partikeln (som är summan av de enskilda snurrarna) skulle 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 få 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 matten 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.