Was ist ein Boson?

In der Teilchenphysik ist a Boson ist ein Partikeltyp, der den Regeln der Bose-Einstein-Statistik folgt. Diese Bosonen haben auch eine Quantenspin with enthält einen ganzzahligen Wert, z. B. 0, 1, -1, -2, 2 usw. (Im Vergleich dazu gibt es andere Partikeltypen, die als Fermionen, die einen halben ganzzahligen Spin haben, wie 1/2, -1/2, -3/2 und so weiter.)

Was ist das Besondere an einem Boson??

Bosonen werden manchmal Kraftteilchen genannt, weil es die Bosonen sind, die die Wechselwirkung physikalischer Kräfte wie Elektromagnetismus und möglicherweise sogar die Schwerkraft selbst steuern.

Der Name Boson leitet sich vom Nachnamen der indischen Physikerin Satyendra Nath Bose ab, einer brillanten Physikerin aus dem frühen 20. Jahrhundert, die zusammen mit Albert Einstein eine Analysemethode namens Bose-Einstein-Statistik entwickelte. Um das Plancksche Gesetz (die Thermodynamik-Gleichgewichtsgleichung, die aus Max Plancks Arbeiten zum Problem der Schwarzkörperstrahlung hervorgegangen ist) vollständig zu verstehen, schlug Bose die Methode erstmals 1924 in einer Arbeit vor, in der versucht wurde, das Verhalten von Photonen zu analysieren. Er sandte das Papier an Einstein, der es veröffentlichen konnte… und erweiterte dann Boses Argumentation über bloße Photonen hinaus, um es auch auf Materieteilchen anzuwenden.

Eine der dramatischsten Auswirkungen der Bose-Einstein-Statistik ist die Vorhersage, dass sich Bosonen mit anderen Bosonen überlappen und koexistieren können. Fermionen hingegen können dies nicht, weil sie dem Pauli-Ausschlussprinzip folgen (Chemiker konzentrieren sich hauptsächlich auf die Art und Weise, wie das Pauli-Ausschlussprinzip das Verhalten von Elektronen im Orbit um einen Atomkern beeinflusst) Photonen werden zu einem Laser und manche Materie kann den exotischen Zustand eines Bose-Einstein-Kondensats bilden.

Grundlegende Bosonen

Nach dem Standardmodell der Quantenphysik gibt es eine Reihe grundlegender Bosonen, die nicht aus kleineren Teilchen bestehen. Dies schließt die grundlegenden Eichbosonen ein, die Teilchen, die die fundamentalen Kräfte der Physik vermitteln (mit Ausnahme der Schwerkraft, auf die wir gleich noch eingehen werden). Diese vier Gauge-Bosonen haben Spin 1 und wurden alle experimentell beobachtet:

• Photon - Photonen, die als Lichtteilchen bekannt sind, transportieren die gesamte elektromagnetische Energie und fungieren als Messboson, das die Kraft elektromagnetischer Wechselwirkungen vermittelt.
• Gluon - Gluonen vermitteln die Wechselwirkungen der starken Kernkraft, die Quarks zu Protonen und Neutronen zusammenhält und die Protonen und Neutronen im Atomkern zusammenhält.
• W Boson - Eines der beiden Messbosonen, die an der Vermittlung der schwachen Kernkraft beteiligt sind.
• Z Boson - Eines der beiden Messbosonen, die an der Vermittlung der schwachen Kernkraft beteiligt sind.

Zusätzlich zu dem oben Gesagten gibt es andere fundamentale Bosonen, die (noch) nicht eindeutig experimentell bestätigt wurden:

• Higgs Boson - Nach dem Standardmodell ist das Higgs-Boson das Teilchen, das die gesamte Masse erzeugt. Am 4. Juli 2012 gaben Wissenschaftler des Large Hadron Collider bekannt, dass sie guten Grund zu der Annahme hatten, Beweise für das Higgs-Boson gefunden zu haben. Weitere Forschungen sind im Gange, um genauere Informationen über die genauen Eigenschaften des Partikels zu erhalten. Es wird vorausgesagt, dass das Teilchen einen Quantenspinwert von 0 hat, weshalb es als Boson klassifiziert wird.
• Graviton - Das Graviton ist ein theoretisches Teilchen, das noch nicht experimentell nachgewiesen wurde. Da die anderen fundamentalen Kräfte - Elektromagnetismus, starke Kernkraft und schwache Kernkraft - alle in Form eines Messbosons erklärt werden, das die Kraft vermittelt, lag es nahe, denselben Mechanismus zur Erklärung der Schwerkraft zu verwenden. Das resultierende theoretische Teilchen ist das Graviton, für das ein Quantenspinwert von 2 vorhergesagt wird.
• Bosonic Superpartners - Nach der Theorie der Supersymmetrie hätte jedes Fermion ein bislang unentdecktes bosonisches Gegenstück. Da es 12 fundamentale Fermionen gibt, würde dies darauf hindeuten, dass es - wenn Supersymmetrie wahr ist - weitere 12 fundamentale Bosonen gibt, die noch nicht entdeckt wurden, vermutlich weil sie sehr instabil sind und in andere Formen zerfallen sind.

Zusammengesetzte Bosonen

Einige Bosonen entstehen, wenn sich zwei oder mehr Partikel zu einem Integer-Spin-Partikel verbinden, wie zum Beispiel:

• Mesonen - Mesonen entstehen, wenn sich zwei Quarks verbinden. Da Quarks Fermionen sind und halbe Spins haben, wäre der Spin des resultierenden Teilchens (die Summe der einzelnen Spins) eine ganze Zahl, was es zu einem Boson macht, wenn zwei davon miteinander verbunden sind.
• Helium-4-Atom - Ein Helium-4-Atom enthält 2 Protonen, 2 Neutronen und 2 Elektronen… und wenn Sie all diese Spins addieren, erhalten Sie jedes Mal eine ganze Zahl. Helium-4 ist besonders hervorzuheben, da es beim Abkühlen auf extrem niedrige Temperaturen zu einem Superfluid wird, was es zu einem hervorragenden Beispiel für die Bose-Einstein-Statistik in der Praxis macht.

Wenn Sie der Mathematik folgen, wird jedes zusammengesetzte Teilchen, das eine gerade Anzahl von Fermionen enthält, ein Boson sein, da sich eine gerade Anzahl von halben ganzen Zahlen immer zu einer ganzen Zahl summiert.