Bozony

Bozony (ang. boson od nazwiska fizyka Satyendra Bose) – cząstki posiadające całkowity spin. Większość bozonów to cząstki złożone, jednakże 12 z nich (tak zwane bozony cechowania) są cząstkami elementarnymi, niezłożonymi z mniejszych cząstek (cząstki fundamentalne).

Właściwości bozonów

Każda cząstka jest bozonem lub fermionem, zależnie od posiadanego spinu – twierdzenie statystyki spinowej narzuca wynikającą z niego statystykę kwantową, która odróżnia fermiony od bozonów. Zgodnie z modelem standardowym fermiony są cząstkami elementarnymi „materii”, natomiast bozony przenoszą oddziaływania.

W związku ze spinem całkowitym (twierdzenie o związku spinu ze statystyką), nieoddziałujące bozony podlegają statystyce Bosego-Einsteina. Jedną z jej konsekwencji jest istnienie kondensatu Bosego-Einsteina, „piątego” stanu skupienia materii, w którym dowolna liczba bozonów może dzielić ten sam stan kwantowy.

Oddziaływania wirtualnych bozonów z rzeczywistymi fermionami nazywamy oddziaływaniami podstawowymi. Zachowanie pędu w tych oddziaływaniach objawia się matematycznie we wszystkich znanych siłach. Bozony uczestniczące w tych oddziaływaniach nazywamy bozonami cechowania. Są to:

• dwa bozony W i jeden Z (oddziaływanie słabe)
• osiem gluonów (oddziaływanie silne)
• foton (oddziaływanie elektromagnetyczne)
• hipotetyczny grawiton pośredniczący w grawitacji.

Cząstki złożone z kilku innych cząstek (tak jak protony lub neutrony) mogą być zarówno fermionami, jak i bozonami, zależnie od ich całkowitego spinu. Z tego powodu wiele jąder atomowych jest bozonami. Pomimo tego, że cząstki tworzące jądra, tj. proton, neutron, a także krążące wokół jądra elektrony, są fermionami, możliwe jest by jeden pierwiastek (na przykład hel) miał izotopy będące fermionami (np. ³He) i inne będące bozonami (np. ⁴He). (³He) jest złożony z jednego neutronu, dwóch protonów [PNP] i dwóch elektronów. Podobnie jądro(!) deuteru (²H), złożone z jednego protonu i jednego neutronu [NP] jest bozonem, podczas gdy jądro trytu (³H), które jest złożone z dwóch neutronów i jednego protonu [NPN] jest fermionem.

Różnica pomiędzy statystykami bozonów i fermionów istnieje wyłącznie przy dużych gęstościach – kiedy ich funkcje zachodzą na siebie. W niskich gęstościach, obydwie statystyki redukują się do statystyki Maxwella-Boltzmanna, więc zarówno bozony i fermiony zachowują się jak cząsteczki klasyczne.

Przykłady bozonów

• każda cząstka o spinie całkowitym
• jądra deuteru
• atomy helu-4
• atomy sodu-23
• fotony, przenoszące oddziaływania elektromagnetyczne
• bozony W i Z, przenoszące oddziaływania słabe
• gluony
• fonony
• bozony Higgsa

Zobacz też

• anyon