Бозон

(перенаправлено с «Бозон (элементарная частица)»)

Бозо́н — частица или квазичастица с целым значением спина (собственного момента импульса), выраженного в единицах постоянной Дирака [2]. Бозоны, в отличие от фермионов, подчиняются статистике Бозе — Эйнштейна, которая допускает, чтобы в одном квантовом состоянии могло находиться неограниченное количество одинаковых частиц[3].

Бозон
Состав Может быть фундаментальной частицей, элементарной частицей, квазичастицей или составной
Участвует во взаимодействиях Гравитационное[1] (общее)
В честь кого или чего названа Бозе Шатьендранат
Квантовые числа
Спин Целый[2] ħ
Логотип Викисклада Медиафайлы на Викискладе

Бозоны получили название по фамилии индийского физика Шатьендраната Бозе[4][5] по предложению Поля Дирака[6].

Системы из двух и более одинаковых бозонов описываются чётными относительно перестановок частиц волновыми функциями: для любых двух частиц и .

Различают элементарные (фундаментальные) бозоныПерейти к разделу «#Элементарные бозоны» и составныеПерейти к разделу «#Составные бозоны».

Элементарные бозоны править

Большинство элементарных бозонов являются квантами калибровочных полей, при помощи которых осуществляется взаимодействие элементарных фермионов (лептонов и кварков) в Стандартной модели. К таким калибровочным бозонам относят:

Кроме этого, к элементарным бозонам относят бозон Хиггса, ответственный за механизм появления масс в электрослабой теории, и не обнаруженный до настоящего времени гравитон (гравитационное взаимодействие).

Все элементарные бозоны, за исключением W±-бозонов, не имеют электрического заряда. Глюоны электрически нейтральны, но несут цветовой заряд.

W +- и W-бозоны по отношению друг к другу выступают как античастицы.

Калибровочные бозоны (фотон, глюон, W ±- и Z-бозоны) имеют единичный спин, бозон Хиггса несёт нулевой спин, гипотетический гравитон имеет спин 2.

 МезонМезонБарионНуклонКваркЛептонЭлектронАдронАтомМолекулаФотонW- и Z-бозоныГлюонГравитонЭлектромагнитное взаимодействиеСлабое взаимодействиеСильное взаимодействиеГравитацияКвантовая электродинамикаКвантовая хромодинамикаКвантовая гравитацияЭлектрослабое взаимодействиеТеория великого объединенияТеория всегоЭлементарная частицаВеществоБозон Хиггса
Краткий обзор различных семейств элементарных и составных частиц и теории, описывающие их взаимодействия. Элементарные частицы слева — фермионы, справа — бозоны. (Термины — гиперссылки на статьи Википедии)

Свойства фундаментальных бозонов править

название заряд (e) спин масса (ГэВ) переносимое взаимодействие
фотон 0 1 0 электромагнитное взаимодействие
W ± ±1 1 80,4 слабое взаимодействие
Z 0 0 1 91,2 слабое взаимодействие
глюон 0 1 0 сильное взаимодействие
бозон Хиггса 0 0 ≈125 поле Хиггса

Составные бозоны править

Квантовая система, состоящая из произвольного числа бозонов и чётного числа фермионов, сама является бозоном. Примеры: ядро с чётным массовым числом A (поскольку нуклоны — протоны и нейтроны — являются фермионами, а массовое число равно суммарному числу нуклонов в ядре); атом или ион с чётной суммой числа электронов и массового числа ядра (поскольку электроны также являются фермионами, и общее количество фермионов в атоме/ионе равно сумме числа нуклонов в ядре и числа электронов в электронной оболочке). При этом орбитальные моменты импульса частиц, входящих в состав квантовой системы, не влияют на её классификацию как фермиона или бозона, поскольку все орбитальные моменты являются целыми, и их добавление в любой комбинации к суммарному целому спину системы не может превратить его в полуцелый (и наоборот). Система, содержащая нечётное число фермионов, сама является фермионом: её суммарный спин всегда полуцелый. Так, атом гелия-3, состоящий из двух протонов, нейтрона и двух электронов (в сумме пять фермионов) является фермионом, а атом лития-7 (три протона, четыре нейтрона, три электрона) является бозоном. Для нейтральных атомов число электронов совпадает с числом протонов, то есть сумма числа электронов и протонов всегда чётна, поэтому фактически классификация нейтрального атома как бозона/фермиона определяется чётным/нечётным числом нейтронов в его ядре.

В частности, к составным бозонам относятся многочисленные двухкварковые связанные состояния, называемые мезонами. Как и у любых систем из двух (и вообще чётного числа) фермионов, спин мезонов является целочисленным, и его значение, в принципе, не ограничено (0, 1, 2, 3, …).

Бозонные звёзды править

Бозонная звезда — гипотетический астрономический объект, состоящий из бозонов (в отличие от обычных звёзд, состоящих преимущественно из фермионов — электронов и нуклонов). Для того, чтобы подобный тип звёзд мог существовать, должны существовать стабильные бозоны, обладающие малой массой (например, аксионы — гипотетические лёгкие частицы, рассматривающиеся как один из кандидатов на роль составляющих тёмной материи)[7][8].

Квазичастицы править

Квазичастицы, описываемые как кванты коллективных возбуждений в многочастичных системах (например, в конденсированных средах), также могут нести спин и классифицироваться как бозоны и фермионы. В частности, бозонами являются фононы («кванты звука»), магноны (кванты спиновых волн в магнетиках), ротоны (возбуждения в сверхтекучем гелии-4).

Примечания править

  1. Удивительный мир внутри атомного ядра. Вопросы после лекции Архивная копия от 15 июля 2015 на Wayback Machine, ФИАН, 11 сентября 2007 года
  2. 1 2 Физика атомного ядра. Введение. msu.ru. Дата обращения: 21 апреля 2017. Архивировано 9 мая 2017 года.
  3. Существует ли суперсимметрия в мире элементарных частиц? postnauka.ru. Дата обращения: 21 апреля 2017. Архивировано 2 июля 2014 года.
  4. Daigle, Katy (2012-07-10). "India: Enough about Higgs, let's discuss the boson". AP News. Архивировано из оригинала 16 марта 2019. Дата обращения: 10 июля 2012. {{cite news}}: Указан более чем один параметр |accessdate= and |access-date= (справка)
  5. Bal, Hartosh Singh (2012-09-19). "The Bose in the Boson". The New York Times blog. Архивировано из оригинала 22 сентября 2012. Дата обращения: 21 сентября 2012.
  6. Санюк В. И., Суханов А. Д. Дирак в физике XX века. С. 982—983.
  7. Madsen, Mark S.; Liddle, Andrew R. The cosmological formation of boson stars (англ.) // Physics Letters B[en] : journal. — 1990. — Vol. 251, no. 4. — doi:10.1016/0370-2693(90)90788-8.
  8. Torres, Diego F.; Capozziello, S.; Lambiase, G. Supermassive boson star at the galactic center? (англ.) // Physical Review D : journal. — 2000. — Vol. 62, no. 10. — doi:10.1103/PhysRevD.62.104012.