Prowadzi to do wyjątkowych zjawisk, takich jak kondensaty Bosego-Einsteina i nadciekłość.
Bozony mają spiny całkowite i mogą zajmować tę samą przestrzeń, co czyni je kluczowymi graczami w cząstkach przenoszących siłę, takich jak fotony i gluony. Fermiony o spinach półcałkowitych podlegają zasadzie wykluczenia Pauliego, co oznacza, że żadne dwa fermiony nie mogą dzielić tego samego stanu kwantowego.
Zrozumienie spinu i klasyfikacji cząstek
Wszystkie podstawowe cząstki w przyrodzie można podzielić na dwie kategorie – bozony i fermiony – w zależności od tego, jak „wirują” w kategoriach mechaniki kwantowej. Wszystkie cząstki podstawowe można rozróżnić na podstawie ich spinu. Ten spin jest właściwością mechaniki kwantowej, która ma cechy momentu pędu.
Wykluczenie kwantowe i cząstki złożone
Co odróżnia bozony i fermiony? Bozony to cząstki podstawowe, których spin jest liczbą całkowitą (0, 1, 2 itd.). Z drugiej strony fermiony mają spin w nieparzystych wartościach połówkowych (1/2, 3/2 i 5/2, ale nie 2/2 ani 6/2). Spin może mieć również kierunek podobny do tego, jak większe cząstki mogą wirować zgodnie z ruchem wskazówek zegara lub przeciwnie do ruchu wskazówek zegara. Do bozonów zaliczają się fotony (światło), gluony (cząstki pełniące rolę nośników siły w jądrze), bozon Higgsa oraz bozony W i Z. Fermiony obejmują protony, neutrony, elektrony, neutrina i kwarki.
Oddziaływania cząstek i właściwości kwantowe
W świecie fizyki cząstek cząstki mogą łączyć się, tworząc nowe cząstki. Na przykład dwa neutrony (każdy o spinie 1/2) i dwa protony (każdy o spinie 1/2) mogą połączyć się, tworząc jądro helu, czyli cząstkę alfa. W tym przypadku spiny łączą się (poprzez dodawanie lub odejmowanie), tworząc całkowity spin cząstki złożonej. Spin może dodawać lub odejmować, ponieważ jest wektorem – ma zarówno kierunek, jak i wielkość. W naszym normalnym świecie wszystko może kręcić się zgodnie z ruchem wskazówek zegara lub przeciwnie do ruchu wskazówek zegara. W świecie kwantowym naukowcy mówią o spinie „w górę” i „w dół”. W przypadku jądra helu całkowity spin wynosi 0, co oznacza, że jest to bozon!
Wykluczenie kwantowe i cząstki złożone
Konsekwencja mechaniki kwantowej zwana zasadą wykluczenia Pauliego stanowi, że żadne dwa fermiony nie mogą znajdować się w tym samym stanie kwantowym. Innymi słowy, identyczne fermiony, takie jak dwa elektrony, nie mogą zajmować tego samego miejsca w przestrzeni z tą samą liczbą kwantową. Nie mogą obydwa obracać się w tym samym kierunku, ale mogą obracać się w przeciwnych kierunkach. Bozony natomiast są wyłączone z tej zasady. Oznacza to, że dwa bozony mogą zajmować to samo miejsce w przestrzeni i mieć ten sam spin. Dotyczy to nawet bozonów złożonych, takich jak hel. Kilka bozonów w tym samym stanie kwantowym może zebrać się w tak zwany „kondensat Bosego-Einsteina”. Kondensaty Bosego-Einsteina można znaleźć w nadciekłym helu, a naukowcy uważają, że występują one również w gwiazdach neutronowych.
Fakty dotyczące bozonów i fermionów
- Klasa bozonów znana jako bozony cechowania pełni rolę „nośników siły” pomiędzy cząstkami. Należą do nich foton (przenoszący oddziaływanie elektromagnetyczne), gluon (przenoszący silne oddziaływanie jądrowe) oraz bozony W i Z (przenoszące słabe oddziaływanie jądrowe). Nie znaleziono hipotetycznego grawitonu, który przenosi grawitację.
- Kwarki to fermiony, które łączą się, tworząc złożone fermiony, protony i neutrony.
- Kondensaty bozonów mogą mieć właściwości nadciekłe, co oznacza, że mają zerową lepkość i swobodnie przepływają bez strat energii. Gwiazdy neutronowe mogą mieć nadciekłe rdzenie z kondensatów bozonów.
- Niektóre kwarki i gluony mogą mieć preferowany spin dzięki silnemu oddziaływaniu jądrowemu. Dowiedz się więcej w tym artykule.
Wkład Biura Naukowego DOE w badania nad bozonem i fermionem
Prawie każdy aspekt badań Office of Science opiera się na właściwościach bozonów i fermionów. Właściwości jąder atomowych, plazmy kwarkowo-gluonowej, badania laserowe, synteza jądrowa i wiele innych badań pośrednio opierają się na fakcie, że cząstkami podstawowymi są albo bozony, albo fermiony. Akceleratory cząstek w obiektach takich jak ATLAS i Zakład rzadkich wiązek izotopowych badać jądra atomowe, które mogą być złożonymi bozonami lub fermionami. Naukowcy korzystają z Relatywistyczny zderzacz ciężkich jonów (RHIC) w Brookhaven National Laboratory i Instalacja ciągłego akceleratora wiązki elektronów (CEBAF) w Thomas Jefferson National Accelerator Facility w celu badania bozonów zwanych gluonami w protonach i neutronach, a także fermionów zwanych kwarkami. Naukowcy korzystają z Obiekt Neutrino o długiej linii bazowej
(LBNF) w Fermilab w celu zbadania osobliwych właściwości fermionów znanych jako neutrina.
