Osakeste füüsikas, a boson on osakeste tüüp, mis järgib Bose-Einsteini statistika reegleid. Nendel bosonitel on ka a kvantketrus koos sisaldab täisarvu, näiteks 0, 1, -1, -2, 2 jne. (Võrdluseks on ka teisi osakesi, nn fermioonid, millel on poole täisarvuga spinn, näiteks 1/2, -1/2, -3/2 ja nii edasi.)
Mis on bosonis nii eriline?
Bossoneid nimetatakse mõnikord jõuosakesteks, sest just bosonid kontrollivad füüsiliste jõudude, näiteks elektromagnetilisuse ja võib-olla isegi gravitatsiooni vastastikmõju.
Nimi boson pärineb India füüsiku Satyendra Nath Bose perekonnanimest, kahekümnenda sajandi alguses, kes töötas koos Albert Einsteiniga välja Bose-Einsteini nimelise analüüsimeetodi statistika. Püüdes täielikult mõista Plancki seadust (termodünaamilise tasakaalu võrrand, mis tuli välja Max Plancki tööst musta keha kiirgus probleem), pakkus Bose seda meetodit esmakordselt välja 1924. aasta artiklis, kus ta püüdis analüüsida footonite käitumist. Ta saatis paberi Einsteinile, kes suutis selle avaldada... ja laiendas seejärel Bose mõttekäiku kaugemale pelgalt footonitest, aga ka mateeria osakeste suhtes.
Bose-Einsteini statistika üks dramaatilisemaid tagajärgi on ennustus, et bosonid võivad kattuda ja eksisteerida koos teiste bosonitega. Fermioonid seevastu ei saa seda teha, sest nad järgivad Pauli välistamise põhimõte (keemikud keskenduvad peamiselt sellele, kuidas Pauli välistamispõhimõte mõjutab elektronide käitumist aatomituuma ümber tiirleval orbiidil.) Seetõttu on footonitel võimalik saada laser ja mõni mateeria suudab moodustada a eksootilise oleku Bose-Einsteini kondensaat.
Põhilised bosonid
Kvantfüüsika standardmudeli kohaselt on mitmeid fundamentaalseid bosone, mis ei koosne väiksematest osakesed. See hõlmab põhilisi gabariidibosone, osakesi, mis vahendavad füüsika põhijõud (välja arvatud raskusjõud, milleni jõuame hetkega). Nendel neljal bosonil on spinn 1 ja neid kõiki on katseliselt täheldatud:
- Foton - Valguse osakesena tuntud footonid kannavad kogu elektromagnetilist energiat ja toimivad mõõteboosina, mis vahendab elektromagnetiliste koostoimete jõudu.
- Gluon - Gluonid vahendavad tugeva tuumajõu koosmõjusid kvargid moodustama prootonid ja neutronid ning hoiab prootoneid ja neutroneid koos aatomi tuumas.
- W Boson - Üks kahest mõõteboosonist, mis on seotud nõrga tuumajõu vahendamisega.
- Z Boson - Üks kahest mõõteboosonist, mis on seotud nõrga tuumajõu vahendamisega.
Lisaks eeltoodule ennustatakse ka teisi fundamentaalseid bosone, kuid ilma selge eksperimentaalse kinnituseta (veel):
- Higgs Boson - Standardmudeli kohaselt on Higgsi boson see osake, mis tekitab kogu massi. 4. juulil 2012 teatasid Suure Hadroni Kokkupõrke teadlased, et neil on põhjust arvata, et nad on leidnud tõendeid Higgsi Bosoni kohta. Jätkatakse täiendavaid uuringuid, et saada täpsemat teavet osakeste täpsete omaduste kohta. Prognoositakse, et osakese spinni kvantväärtus on 0, mistõttu see klassifitseeritakse bosoniks.
- Graviton - graviton on teoreetiline osake, mida ei ole veel eksperimentaalselt tuvastatud. Kuna muud põhijõud - elektromagnetism, tugev tuumajõud ja nõrk tuumajõud - on kõik lahti seletatud Jõudu vahendava gabariidibosoni tingimustel oli loomulik proovida selgitada sama mehhanismi gravitatsioon. Saadud teoreetiliseks osakeseks on graviton, mille kvandi tsentrifuugi väärtus on 2.
- Bosonic Superpartners - Supersümmeetria teooria kohaselt oleks igal fermioonil seni avastamata bosooniline vaste. Kuna fundamentaalseid fermione on 12, võib see arvata, et kui supersümmeetria on tõene, on veel 12 fundamentaalseid bosone, mida pole veel avastatud, arvatavasti seetõttu, et need on väga ebastabiilsed ja lagunenud muud vormid.
Komposiitbossonid
Mõned bosonid moodustuvad, kui kaks või enam osakest ühinevad, et moodustada täisarvuga osake, näiteks:
- Mesonid - Mesoonid moodustuvad, kui kaks kvarki seovad omavahel. Kuna kvargid on fermioonid ja nende täisarvud keerud on kaks, siis kui kaks neist on omavahel seotud, siis spinn saadud osakese (mis on üksikute keerutuste summa) arv täisarv, mis teeb sellest a boson.
- Heelium-4 aatom - Heelium-4 aatom sisaldab 2 prootonit, 2 neutronit ja 2 elektronit... ja kui liidad kõik need keerutused kokku, on sul iga kord täisarv. Heelium-4 on eriti tähelepanuväärne, kuna ülimadalate temperatuuride jahutamisel muutub see ülivedelikuks, muutes selle toimivaks Bose-Einsteini statistika hiilgavaks näiteks.
Kui jälgite matemaatikat, saab komposiitosakeste arv, mis sisaldab paarisarvu fermioone, bosoniks, sest paarisarv täisarveid läheb alati täisarvuks.