Bosoner er partikler som bærer energi og krefter gjennom hele universet.
Standardmodellen for partikkelfysikk – den mest robuste teorien vi har om den subatomære verden – deler hver partikkel i universet og selv de større komposittpartiklene passer inn i to brede kategorier; fermioner og bosoner.
Fermioner som kvarker, elektronernøytrinoer, protoner og nøytroner er grunnlaget for materie, mens en kategori av bosoner, gauge-bosonene, er ansvarlige for å fungere som ‘bærere’ av minst tre av de fire grunnleggende krefter— elektromagnetisme, den sterke kjernekraften og den svake kjernekraften. Det betyr at fermioner samhandler med hverandre via utveksling av gauge bosoner.
Det kan også være en boson å bære kraften av gravitasjon, men det er foreløpig ikke sikkert. Målebosonene er grunnleggende partikler – noe som betyr at de ikke består av mindre partikler – men det er andre bosoner som er sammensatt av mindre partikler.
I slekt: Higgs boson: ‘Gudspartikkelen’ forklart
Robert Lea har en bachelorgrad i fysikk og astronomi fra Storbritannias Open University. Robert har bidratt til Space.com i over et tiår, og arbeidet hans har dukket opp i Physics World, New Scientist, Astronomy Magazine, All About Space og mer.
Bosoner: Hva gjør en partikkel til en boson?
Bosoner tar navnet sitt fra den indiske fysikeren Satyendra Nath Bose som utførte viktig forskning på 1920-tallet angående oppførselen til det mest kjente bosonet – fotonet.
En av de viktigste definerende egenskapene til bosoner er knyttet til en kvantemekanisk kvalitet kalt “spinn”, som kan betraktes som avbøyningen en partikkel tar når den opplever et magnetisk felt som gir vinkelmomentum.
Selv om spinn er lik, er spinn mer kompleks enn vinkelmomentum i den makroskopiske verden av klassisk fysikk, hovedsakelig fordi partikler kan ha brøkdeler av spinn, noe som betyr at det ikke er noen ekte “klassisk” måte å beskrive spinn på.
En fermion er en partikkel med 1/2 spinn som kan ha pluss- eller minusverdier. Dette betyr at fermioner kan ha verdier som 1/2, -1/2, 3/2 og -3/2. Pluss eller minus bestemmer retningen til den indre vinkelmomentpartikkelen vil ta.
Bosoner, på den annen side, har hele heltallspinn inkludert null. Dette betyr at spinnverdiene disse partiklene kan ta er 0, 1, -1, 2, -2 og så videre.
Matematisk å legge til to halvdeler sammen gir et helt heltall, og på lignende måte, kombinere partall av fermioner skaper en større partikkel som er en boson.
Disse inkluderer mesoner – som dannes når to kvarker binder seg – og jevne atomer med like antall fermioner. For eksempel er helium-4-atomer bosoner fordi de består av to protoner, to nøytroner og to elektroner. Helium-4-atomer vil ha en spesiell relevans når de tenker på de spesielle og unike egenskapene til bosoner.
Hva er de forskjellige bosonene?
Bosoner kan deles opp på flere måter, men for å introdusere de forskjellige partiklene som utgjør denne fløyen til “partikkelzoo” er det nyttig å sortere dem i to grove grupperinger – partikler vi har eksperimentelle bevis på, og de som for øyeblikket bare er teoretiske .
Oppdaget bosoner
Fotoner
Enkelt, det mest kjente målebosonet er fotonet, lyspartikkelen og formidleren av den elektromagnetiske kraften.
For fotoner – som har et spinn på 1 – er spinn den kvantemekaniske ekvivalenten til polarisering, eller retningen som en lysbølge er orientert i. Dette betyr at fotonspinn kan være parallelle eller antiparallelle i orientering.
Fotoner var de første målebosonene som ble oppdaget da Max Planck og Max Planck på begynnelsen av 1900-tallet Albert Einstein foreslått lys eksisterer i energipakker kalt ‘kvanter’. Navnet ‘foton’ ble introdusert for disse kvanta i 1928 av den amerikanske kjemikeren Gilbert Lewis.
I slekt: Dobbeltspalteeksperimentet: Er lys en bølge eller en partikkel?
Gluoner
Gluoner, det andre oppdagede gauge bosonet, er bosonene som bærer den sterke kjernekraften. Som et resultat er de ansvarlige for å “klistre” andre partikler sammen.
Spesielt binder gluoner kvarker sammen for å lage protoner og nøytroner. Men gluoner stopper ikke der: De binder også disse sammensatte partiklene – samlet kalt ‘nukleoner’ – sammen i atomkjernen i hjertet av all daglig materie.
Gluoner ble oppdaget ved elektron-positronkollideren PETRA i DESY, Tyskland, i 1979.
W- og Z-bosonene
W- og Z-bosonene er gauge-bosonene som er ansvarlige for å bære den svake kjernekraften – sterkere enn tyngdekraften, men bare effektive over utrolig korte avstander. Disse spin 0-bosonene er ansvarlige for kjernefysisk forfall der ett element endres til et annet ved å hjelpe protoner med å endre seg til nøytroner og omvendt.
Et av de store problemene med W- og Z-bosonene, som ble funnet i 1983, var å finne ut hvordan de fikk massen sin, da teorier på den tiden antydet at de skulle være masseløse som fotonet.
Higgs Bosons
De Higgs boson ble først introdusert i standardmodellen for partikkelfysikk for å forklare hvordan W- og Z-bosonene fikk sin masse, men dens massegivende rolle som tilrettelegger for Higgs-feltet ble snart utvidet til nesten alle partikler.
Higgs-bosonet ble oppdaget i 2012 etter høyenergi-proton-proton-kollisjoner ved Stor Hadron Collider (LHC) — verdens kraftigste partikkelakselerator.
Higgs-bosonet har et foreslått spinn på 0 og oppdagelsen sies å ha fullført standardmodellen, men det er fortsatt fysikk utenfor denne modellen å oppdage. Utforskningen av fysikk utover standardmodellen betyr at det er andre teoretiske bosoner å utforske.
Teoretiske bosoner
Gravitoner
En ting rammeverket til standardmodellen for partikkelfysikk ikke kan beskrive er tyngdekraften. Det er fordi kvantemekanikk – fysikken til det subatomære – og generell relativitetsteoriEinsteins teori om tyngdekraften, ikke mesh.
De andre fundamentale kreftene får en måleboson for å bære dem (og den svake kraften får til og med to), så hvorfor skulle ikke tyngdekraften det? En måleboson for gravitasjon – ‘graviton’ – har blitt teoretisert, men har så langt ikke klart å manifestere seg eksperimentelt.
Fordi tyngdekraften er ubetydelig på et subatomært nivå, har manglende gravitoner og mangelen på en “kvanteteori om tyngdekraft” ikke hindret denne modellen for mye.
Boson superpartnere
En potensiell fysikkmodell utover standardmodellen er ‘supersymmetri’. Denne teorien – foreslått for å “fikse” massen til Higgs-bosonet – antyder at hver fermion i partikkelzooen har en bosonisk partner.
De ekstra partiklene ville bidra til å “slette ut” noe av massen til Higgs-bosonet, og forklare hvorfor det er relativt lett.
Bosoner: De ‘sosiale’ partiklene
Takket være et fenomen som kalles Pauli-eksklusjonsprinsippet, er halvheltalls spinnfermioner ikke i stand til å ha de samme kvantetallene. Dette betyr at fermioner ikke er i stand til å klynge seg sammen.
Bosoner, med sine fulle heltallspinn, følger imidlertid ikke Pauli-ekskluderingsprinsippet. Dette betyr at de kan gruppere seg tett, noe som gir opphav til noen unike fysiske egenskaper.
Det vanligste eksemplet på “sosiale bosoner” er laserlys, som består av fotoner med samme bølgelengde og frekvens som alle beveger seg i samme retning.
Et mer eksotisk eksempel på bosoner som trosser Pauli-eksklusjonsprinsippet ble foreslått i 1924. Albert Einstein og Bose bestemte at bosoner skulle kondensere sammen i grunntilstanden – tilstanden med lavest mulig energi – som førte til Bose-Einstein-kondensering, dannelsen av superfluiditet i flytende helium avkjølt til 2,17 K og dermed lavest mulig energi.
Koblede elektroner – kalt ‘Cooper-par’ – er klassifisert som ‘kvasi-partikler’ og kan tvinges til å oppføre seg som bosoner, kondensere til en tilstand med null elektrisk motstand. Opprettelsen av Bose-Einstein-kondensasjon i fortynnede gasser av alkaliatomer ville vinne tre forskere Nobelprisen i fysikk i 2001 (åpnes i ny fane).
Ytterligere lesing
Utforsk Higgs-bosonet mer detaljert og oppdag hvorfor det er så spesielt med CERN (åpnes i ny fane).
Lær mer om partikkelfysikk med dette gratis kurset fra Det åpne universitetet (åpnes i ny fane).
Bibliografi
“Fermioner, bosoner (åpnes i ny fane).” Hyperfysikk (2022).
“Standardmodellen (åpnes i ny fane).” CERN (2022).
“Møt en superpartner på LHC (åpnes i ny fane).” APS Fysikk (2010).
“Supersymmetri (åpnes i ny fane).” CERN (2022).
“Oppdagelsen av Gluon (åpnes i ny fane).” Sau Lan Wu, University of Wisconsin-Madison/CERN,(2018).
“Denne måneden i fysikkhistorie (åpnes i ny fane).” APS Nyheter (2012).
Følg oss på Twitter @Spacedotcom (åpnes i ny fane) eller på Facebook (åpnes i ny fane).