В физике элементарных частиц, бозон это тип частиц, который подчиняется правилам статистики Бозе-Эйнштейна. Эти бозоны также имеют квантовый спин with содержит целочисленное значение, например 0, 1, -1, -2, 2 и т. д. (Для сравнения есть и другие типы частиц, называемые фермионы, которые имеют полуцелое вращение, например 1/2, -1/2, -3/2 и т. д.)
Что такого особенного в бозоне?
Бозоны иногда называют частицами силы, потому что именно бозоны управляют взаимодействием физических сил, таких как электромагнетизм и, возможно, даже сама гравитация.
Название бозон происходит от фамилии индийского физика Сатьендры Натха Бозе, блестящего физика из начале двадцатого века, который работал с Альбертом Эйнштейном, чтобы разработать метод анализа под названием Бозе-Эйнштейн статистика. Стремясь полностью понять закон Планка (уравнение термодинамического равновесия, появившееся из работы Макса Планка над излучение черного тела проблема), Бозе впервые предложил метод в статье 1924 года, пытаясь проанализировать поведение фотонов. Он отправил статью Эйнштейну, который смог опубликовать ее... и затем продолжил расширять рассуждения Бозе за пределы простых фотонов, но также и применять к частицам материи.
Одним из самых драматических эффектов статистики Бозе-Эйнштейна является предсказание того, что бозоны могут перекрываться и сосуществовать с другими бозонами. Фермионы, с другой стороны, не могут этого сделать, потому что они следуют Принцип исключения Паули (химики сосредотачиваются прежде всего на том, как принцип исключения Паули влияет на поведение электронов на орбите вокруг атомного ядра.) Из-за этого фотоны могут стать лазер и некоторая материя способна сформировать экзотическое состояние Бозе-эйнштейновский конденсат.
Фундаментальные бозоны
Согласно Стандартной модели квантовой физики, существует ряд фундаментальных бозонов, которые не состоят из меньших частицы. Это включает в себя основные калибровочные бозоны, частицы, которые опосредуют фундаментальные силы физики (кроме силы тяжести, к которой мы скоро доберемся). Эти четыре калибровочных бозона имеют спин 1 и все они были экспериментально обнаружены:
- Фотон - Известные как частицы света, фотоны несут всю электромагнитную энергию и действуют как калибровочный бозон, который опосредует силу электромагнитных взаимодействий.
- Gluon - Глюоны опосредуют взаимодействия сильной ядерной силы, которая связывает воедино кварки формировать протоны и нейтроны а также удерживает протоны и нейтроны вместе в ядре атома.
- W Boson - Один из двух калибровочных бозонов, участвующих в посредничестве слабой ядерной силы.
- Z Boson - Один из двух калибровочных бозонов, участвующих в посредничестве слабой ядерной силы.
В дополнение к вышесказанному предсказаны и другие фундаментальные бозоны, но без явного экспериментального подтверждения (пока):
- Бозон Хиггса - Согласно стандартной модели, бозон Хиггса - это частица, которая порождает всю массу. 4 июля 2012 года ученые Большого адронного коллайдера объявили, что у них есть веские основания полагать, что они нашли доказательства бозона Хиггса. Дальнейшие исследования продолжаются в попытке получить лучшую информацию о точных свойствах частицы. Предсказано, что частица имеет квантовое значение спина 0, поэтому она классифицируется как бозон.
- Гравитон - Гравитон - это теоретическая частица, которая еще не была экспериментально обнаружена. Поскольку другие фундаментальные силы - электромагнетизм, сильная ядерная сила и слабая ядерная сила - все объясняются в В терминах калибровочного бозона, который опосредует силу, было естественно попытаться использовать тот же механизм, чтобы объяснить сила тяжести. Получающаяся теоретическая частица - гравитон, который, как предсказывают, имеет квантовое значение вращения 2.
- Босонские суперпартнеры - Согласно теории суперсимметрии, каждый фермион имел бы до сих пор необнаруженный бозонный аналог. Поскольку существует 12 фундаментальных фермионов, можно предположить, что, если суперсимметрия верна, есть еще 12 фундаментальные бозоны, которые еще не были обнаружены, по-видимому, потому что они очень нестабильны и распались в другие формы.
Композитные бозоны
Некоторые бозоны образуются, когда две или более частиц соединяются вместе, образуя частицу с целочисленным спином, такую как:
- Зонов - Мезоны образуются, когда два кварка связываются вместе. Поскольку кварки являются фермионами и имеют полуцелые спины, если два из них связаны вместе, то спин полученной частицы (которая является суммой отдельных спинов) будет целое число, что делает его бозон.
- Атом гелия-4 - Атом гелия-4 содержит 2 протона, 2 нейтрона и 2 электрона... и если вы сложите все эти спины, вы каждый раз будете получать целое число. Гелий-4 особенно примечателен, потому что он становится сверхтекучим при охлаждении до ультранизких температур, что делает его блестящим примером статистики Бозе-Эйнштейна в действии.
Если вы следите за математикой, любая составная частица, которая содержит четное число фермионов, будет бозоном, потому что четное число полуцелых всегда будет складываться в целое число.