Бозон

Тип субатомной частицы

Бозоны образуют один из двух фундаментальных классов субатомных частиц , другой — фермионы . Все субатомные частицы должны быть теми или иными. Сложная частица ( адрон ) может попасть в любой класс в зависимости от ее состава.

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 (0, 1, 2, . ..). Бозоны образуют один из двух фундаментальных классов субатомных частиц, второй — фермионы , которые имеют нечетный полуцелый спин ( 1 ⁄ 2 , 3 ⁄ 2 , 5 ⁄ 2 , ...). Каждая наблюдаемая субатомная частица является либо бозоном, либо фермионом.

Некоторые бозоны представляют собой элементарные частицы, играющие особую роль в физике элементарных частиц, отличную от роли фермионов (которые иногда называют составляющими «обычной материи»). Определенные элементарные бозоны (например, глюоны ) действуют как переносчики сил , которые порождают силы между другими частицами, в то время как один ( бозон Хиггса ) способствует явлению массы . Другие бозоны, такие как мезоны , представляют собой сложные частицы, состоящие из более мелких компонентов.

За пределами физики элементарных частиц несколько идентичных составных бозонов (в этом контексте иногда называемых « бозе-частицами ») ведут себя при высоких плотностях или низких температурах характерным образом, описываемым статистикой Бозе-Эйнштейна : например, газ из атомов гелия-4. становится сверхтекучим при температурах, близких к абсолютному нулю. Точно так же сверхпроводимость возникает потому, что некоторые квазичастицы , например куперовские пары , ведут себя таким же образом.

Имя

Название « бозон» было придумано Полем Дираком ^{[3] [4]} в ознаменование вклада Сатьендры Натха Боса , индийского физика. Когда Бозе был читателем (впоследствии профессором) в Университете Дакки , Бенгалия (ныне в Бангладеш ), ^{[5] [6]} он и Альберт Эйнштейн разработали теорию, характеризующую такие частицы, теперь известную как статистика Бозе-Эйнштейна и статистика Бозе-Эйнштейна. конденсат . ^[7]

Элементарные бозоны

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 элементарных 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:

• Один скалярный бозон (спин = 0)
  • ЧАС0 Бозон Хиггса - частица, которая вносит вклад в явление массы посредством механизма Хиггса.
• Четыре векторных бозона (спин = 1), которые действуют как носители силы . Это калибровочные бозоны :
  • γ   Фотон – носитель силы электромагнитного поля
  • г   Глюоны (восемь различных типов) – носители силы, которые опосредуют сильное взаимодействие.
  • З   Нейтральный слабый бозон - носитель силы, который обеспечивает слабое взаимодействие.
  • Вт±   Заряженные слабые бозоны (два типа) – также носители силы, обеспечивающие слабое взаимодействие.

• Тензорный бозон второго порядка (спин = 2), называемый гравитоном (G), был предложен в качестве носителя силы гравитации , но до сих пор все попытки включить гравитацию в Стандартную модель потерпели неудачу. ^[а]

Составные бозоны

Сложные 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.

К составным бозонам относятся:

• Все виды мезонов
• Стабильные ядра с четным массовым числом , такие как дейтерий , гелий-4 ( альфа-частица ), ^[9] углерод-12 и свинец-208 . ^[б]

Как квантовые частицы , поведение нескольких неразличимых бозонов при высоких плотностях описывается статистикой Бозе-Эйнштейна . Одной из характеристик, которая становится важной в сверхтекучести и других приложениях конденсатов Бозе-Эйнштейна, является отсутствие 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 незначительной, он конденсируется в низкоэнергетическое состояние и становится сверхтекучим .

Квазичастицы

Некоторые квазичастицы, включая пары Купера , плазмоны и фононы , ведут себя как бозоны и следуют статистике Бозе-Эйнштейна . ^{[10] : 130}

Смотрите также

• Анион  - тип двумерной квазичастицы.
• Бозе-газ  - состояние вещества многих бозонов.
• Парастатистика  - понятие в статистической механике.

Заметки с пояснениями

1. Несмотря на то, что гравитон является носителем гравитационной силы, которая взаимодействует с массой, большинство попыток квантовой гравитации предполагали, что гравитон не имеет массы, точно так же, как фотон не имеет электрического заряда, а W- и Z-бозоны не имеют «аромат» .
2. Нуклиды с четными массовыми числами , которые составляют 153 ⁄ 254 = ~ 60% всех стабильных нуклидов, являются бозонами, т. е. имеют целочисленный спин. Почти все (148 из 153) представляют собой нуклиды с четными протонами и четными нейтронами (EE), которые обязательно имеют спин 0 из-за спаривания. Остальные 5 стабильных бозонных нуклидов представляют собой стабильные нуклиды с нечетными протонами и нечетными нейтронами (см. Четные и нечетные атомные ядра § Нечетный протон, нечетный нейтрон ); эти нечетно-нечетные бозоны:²
   ₁ЧАС
   ,⁶
   ₃Ли
   ,¹⁰
   ₅Б
   ,¹⁴
   ₇Н
   и^{180 м}
   ₇₃Та
   ). Все они имеют ненулевой целочисленный спин.

Рекомендации

1. "бозон". Британский словарь английского языка Lexico . Издательство Оксфордского университета . Архивировано из оригинала 9 июля 2021 года.
2. Уэллс, Джон К. (1990). Словарь произношения Лонгмана . Харлоу, Англия: Лонгман. ISBN 978-0582053830.запись "Бозон"
3. Заметки к лекции Дирака «Развитие атомной теории» во Дворце Декуверт, 6 декабря 1945 года . УКНАТАРЧИ Документы Дирака. BW83/2/257889.
4. Фармело, Грэм (25 августа 2009 г.). Самый странный человек: Скрытая жизнь Поля Дирака, мистика атома. Основные книги. п. 331. ИСБН 9780465019922.
5. Дэйгл, Кэти (10 июля 2012 г.). «Индия: Хватит о Хиггсе, давайте обсудим бозон». Ассошиэйтед Пресс . Проверено 10 июля 2012 г.
6. Бал, Хартош Сингх (19 сентября 2012 г.). «Боз в бозоне». Широта (блог). Нью-Йорк Таймс . Архивировано из оригинала 22 сентября 2012 года . Проверено 21 сентября 2012 г.
7. «Бозон Хиггса: Поэзия субатомных частиц». Новости BBC . 4 июля 2012 года . Проверено 6 июля 2012 г.
8. Кэрролл, Шон (2007). Путеводитель . Темная материя, темная энергия: темная сторона Вселенной. Учебная компания. Часть 2, с. 43. ИСБН 978-1598033502. ... бозон: частица, несущая силу, в отличие от частицы материи (фермиона). Бозоны можно наслаивать 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 так далее…
9. Каим, Сайед М.; Спан, Инго; Шолтен, Бернхард; Ноймайер, Бернд (8 июня 2016 г.). «Использование альфа-частиц, особенно в исследованиях ядерных реакций и производстве медицинских радионуклидов». Радиохимика Акта . 104 (9): 601. doi :10.1515/ract-2015-2566. S2CID  56100709 . Проверено 22 мая 2021 г.
10. Пул, Чарльз П. младший (11 марта 2004 г.). Энциклопедический словарь по физике конденсированного состояния. Академическая пресса. ISBN 978-0-08-054523-3.