Wat is een boson?

Wat is een boson?

In de deeltjesfysica, een boson is een soort deeltje dat zich aan de regels van Bose-Einstein-statistieken houdt. Deze bosonen hebben ook een quantum spin met bevat een geheel getal, zoals 0, 1, -1, -2, 2, enz. (Ter vergelijking, er zijn andere soorten deeltjes, genaamd fermionen, die een half-geheel getal spin hebben, zoals 1/2, -1/2, -3/2, enzovoort.)

Wat is er zo speciaal aan een Boson?

Bosonen worden soms krachtdeeltjes genoemd, omdat het de bosonen zijn die de interactie van fysieke krachten regelen, zoals elektromagnetisme en mogelijk zelfs de zwaartekracht zelf.

De naam boson komt van de achternaam van de Indiase natuurkundige Satyendra Nath Bose, een briljante natuurkundige uit de vroege twintigste eeuw die samen met Albert Einstein een analysemethode ontwikkelde met de naam Bose-Einstein-statistieken. In een poging de wet van Planck volledig te begrijpen (de thermodynamische evenwichtsvergelijking die voortkwam uit het werk van Max Planck over het blackbody-stralingsprobleem), stelde Bose de methode voor het eerst voor in een artikel uit 1924 dat probeerde het gedrag van fotonen te analyseren. Hij stuurde het papier naar Einstein, die het gepubliceerd kon krijgen ... en breidde vervolgens de redenering van Bose verder uit dan alleen fotonen, maar ook voor materiedeeltjes.

Een van de meest dramatische effecten van Bose-Einstein-statistieken is de voorspelling dat bosonen elkaar kunnen overlappen en naast elkaar kunnen bestaan. Fermions kunnen dit echter niet, omdat ze het Pauli-uitsluitingsprincipe volgen (chemici richten zich primair op de manier waarop het Pauli-uitsluitingsprincipe het gedrag van elektronen in een baan rond een atoomkern beïnvloedt.) Hierdoor is het mogelijk fotonen om een ​​laser te worden en sommige materie kan de exotische toestand van een Bose-Einstein-condensaat vormen.

Fundamentele Bosons

Volgens het standaardmodel van de kwantumfysica zijn er een aantal fundamentele bosonen, die niet uit kleinere deeltjes bestaan. Dit omvat de basismeter bosonen, de deeltjes die de fundamentele krachten van de fysica bemiddelen (behalve de zwaartekracht, waar we zo dadelijk op in gaan). Deze vier gauge bosonen hebben spin 1 en zijn allemaal experimenteel waargenomen:

  • Photon - Bekend als het deeltje van licht, dragen fotonen alle elektromagnetische energie en werken als het meterboson dat de kracht van elektromagnetische interacties bemiddelt.
  • gluon - Gluonen bemiddelen de interacties van de sterke nucleaire kracht, die quarks samenbindt om protonen en neutronen te vormen en ook de protonen en neutronen samenhoudt in de kern van een atoom.
  • W Boson - Een van de twee gauge bosonen die betrokken zijn bij de bemiddeling van de zwakke nucleaire kracht.
  • Z Boson - Een van de twee gauge bosonen die betrokken zijn bij de bemiddeling van de zwakke nucleaire kracht.

Naast het bovenstaande zijn er andere fundamentele bosonen voorspeld, maar zonder duidelijke experimentele bevestiging (nog):

  • Higgs Boson - Volgens het standaardmodel is het Higgs Boson het deeltje dat alle massa veroorzaakt. Op 4 juli 2012 kondigden wetenschappers van de Large Hadron Collider aan dat ze goede reden hadden om te geloven dat ze bewijs hadden gevonden van het Higgs Boson. Verder onderzoek is gaande in een poging om betere informatie te krijgen over de exacte eigenschappen van het deeltje. Er wordt voorspeld dat het deeltje een kwantumspinwaarde van 0 heeft, daarom wordt het geclassificeerd als een boson.
  • Graviton - De graviton is een theoretisch deeltje dat nog niet experimenteel is gedetecteerd. Aangezien de andere fundamentele krachten - elektromagnetisme, sterke nucleaire kracht en zwakke nucleaire kracht - allemaal worden uitgelegd in termen van een ijkboson dat de kracht bemiddelt, was het niet meer dan normaal om te proberen hetzelfde mechanisme te gebruiken om de zwaartekracht te verklaren. Het resulterende theoretische deeltje is het graviton, waarvan wordt voorspeld dat het een kwantumspinwaarde van 2 heeft.
  • Bosonic Superpartners - Volgens de theorie van supersymmetrie zou elke fermion een tot nu toe niet-gedetecteerde bosonische tegenhanger hebben. Omdat er 12 fundamentele fermionen zijn, zou dit suggereren dat - als supersymmetrie waar is - er nog 12 fundamentele bosonen zijn die nog niet zijn gedetecteerd, vermoedelijk omdat ze zeer onstabiel zijn en in andere vormen zijn vervallen.

Composiet Bosons

Sommige bosonen worden gevormd wanneer twee of meer deeltjes samenkomen om een ​​geheel-spin-deeltje te creëren, zoals:

  • mesonen - Mesonen worden gevormd wanneer twee quarks aan elkaar binden. Omdat quarks fermionen zijn en half-gehele spins hebben, als twee ervan aan elkaar zijn gebonden, dan zou de spin van het resulterende deeltje (dat de som is van de individuele spins) een geheel getal zijn, waardoor het een boson wordt.
  • Helium-4-atoom - Een helium-4-atoom bevat 2 protonen, 2 neutronen en 2 elektronen ... en als je al die spins optelt, krijg je elke keer een geheel getal. Helium-4 is vooral opmerkelijk omdat het een superfluïde wordt wanneer het wordt afgekoeld tot ultra lage temperaturen, waardoor het een briljant voorbeeld is van Bose-Einstein-statistieken in actie.

Als je de wiskunde volgt, wordt elk samengesteld deeltje dat een even aantal fermionen bevat een boson, omdat een even aantal halve gehele getallen altijd optelt tot een geheel getal.