В физике элементарных частиц бозон ( / ˈ b oʊ z ɒ n / [1] / ˈ b oʊ s ɒ n / [ 2 ] ) — субатомная частица , квантовое число спина которой имеет целое значение ( , 1 , 2 , ... ) . Бозоны образуют один из двух фундаментальных классов субатомных частиц, другой — фермионы , которые имеют нечетный полуцелый спин ( 1 ⁄ 2 , 3 ⁄ 2 , 5 ⁄ 2 , ...). Каждая наблюдаемая субатомная частица является либо бозоном, либо фермионом. Поль Дирак придумал название бозон в ознаменование вклада Сатьендры Натха Бозе , индийского физика.
Некоторые бозоны являются элементарными частицами, играющими особую роль в физике частиц, отличную от роли фермионов (которые иногда описываются как составляющие «обычной материи»). Некоторые элементарные бозоны (например, глюоны ) действуют как переносчики сил , которые порождают силы между другими частицами, в то время как один ( бозон Хиггса ) вносит вклад в явление массы . Другие бозоны, такие как мезоны , являются составными частицами, состоящими из более мелких составляющих.
За пределами области физики элементарных частиц множественные идентичные составные бозоны (в этом контексте иногда называемые « бозе-частицами ») ведут себя при высоких плотностях или низких температурах характерным образом, описываемым статистикой Бозе-Эйнштейна : например, газ атомов гелия-4 становится сверхтекучим при температурах, близких к абсолютному нулю. Аналогично, сверхпроводимость возникает, поскольку некоторые квазичастицы , такие как куперовские пары , ведут себя таким же образом.
Название «бозон» было придумано Полем Дираком [3] [4] в ознаменование вклада Сатьендры Натха Бозе , индийского физика. Когда Бозе был доцентом (позже профессором) в Университете Дакки , Бенгалия (ныне Бангладеш ), [5] [6] он и Альберт Эйнштейн разработали теорию, характеризующую такие частицы, теперь известную как статистика Бозе-Эйнштейна и конденсат Бозе-Эйнштейна . [7]
Все наблюдаемые элементарные частицы являются либо бозонами (с целым спином), либо фермионами (с нечетным полуцелым спином). [8] В то время как элементарные частицы, составляющие обычную материю ( лептоны и кварки ), являются фермионами, элементарные бозоны играют особую роль в физике частиц. Они действуют либо как переносчики сил , которые порождают силы между другими частицами, либо в одном случае порождают явление массы .
Согласно Стандартной модели физики элементарных частиц существует пять элементарных бозонов:
Составные частицы (такие как адроны , ядра и атомы ) могут быть бозонами или фермионами в зависимости от их составляющих. Поскольку бозоны имеют целый спин , а фермионы — нечетный полуцелый спин, любая составная частица, состоящая из четного числа фермионов, является бозоном.
Составные бозоны включают в себя:
Как квантовые частицы , поведение множественных неразличимых бозонов при высоких плотностях описывается статистикой Бозе-Эйнштейна . Одной из характеристик, которая становится важной в сверхтекучести и других приложениях конденсатов Бозе-Эйнштейна, является то, что нет ограничений на количество бозонов, которые могут занимать одно и то же квантовое состояние . Как следствие, когда, например, газ атомов гелия-4 охлаждается до температур, очень близких к абсолютному нулю , и кинетическая энергия частиц становится пренебрежимо малой, он конденсируется в низкоэнергетическое состояние и становится сверхтекучей жидкостью .
Наблюдается, что некоторые квазичастицы ведут себя как бозоны и следуют статистике Бозе-Эйнштейна , включая куперовские пары , плазмоны и фононы . [10] : 130
Каждый из пяти имеет целый, ненулевой спин.
... бозон: Частица, переносящая силу, в отличие от частицы материи (фермиона). Бозоны могут накладываться друг на друга без ограничений. Примерами являются фотоны, глюоны, гравитоны, слабые бозоны и бозон Хиггса. Спин бозона всегда является целым числом: 0, 1, 2 и т. д. ...