Wissenschaft

Definition eines Boson-Partikels

In der Teilchenphysik ist ein Boson eine Art Teilchen, das den Regeln der Bose-Einstein-Statistik folgt. Diese Bosonen haben auch einen Quantenspin mit einem ganzzahligen Wert wie 0, 1, -1, -2, 2 usw. (Im Vergleich dazu gibt es andere Arten von Partikeln, sogenannte Fermionen. die einen halb ganzzahligen Spin haben wie 1/2, -1/2, -3/2 usw.)

Was ist das Besondere an einem Boson?

Bosonen werden manchmal als Kraftteilchen bezeichnet, weil es die Bosonen sind, die das Zusammenspiel physikalischer Kräfte wie Elektromagnetismus und möglicherweise sogar die Schwerkraft selbst steuern.

Der Name Boson leitet sich vom Nachnamen des indischen Physikers Satyendra Nath Bose ab, eines brillanten Physikers aus dem frühen 20. Jahrhundert, der zusammen mit Albert Einstein eine Analysemethode namens Bose-Einstein-Statistik entwickelte. Um das Plancksche Gesetz (die thermodynamische Gleichgewichtsgleichung, die aus Max Plancks Arbeit zum Problem der Schwarzkörperstrahlung hervorgegangen ist. vollständig zu verstehen , schlug Bose die Methode erstmals in einer Arbeit von 1924 vor, in der versucht wurde, das Verhalten von Photonen zu analysieren. Er schickte das Papier an Einstein, der es veröffentlichen konnte … und erweiterte dann Boses Argumentation über bloße Photonen hinaus, aber auch auf Materieteilchen.

Eine der dramatischsten Auswirkungen der Bose-Einstein-Statistik ist die Vorhersage, dass sich Bosonen überlappen und mit anderen Bosonen koexistieren können. Fermionen hingegen können dies nicht, weil sie dem Pauli-Ausschlussprinzip folgen  (Chemiker konzentrieren sich hauptsächlich auf die Art und Weise, wie das Pauli-Ausschlussprinzip das Verhalten von Elektronen in der Umlaufbahn um einen Atomkern beeinflusst) Photonen werden zu einem Laser und einige Materie kann den exotischen Zustand eines Bose-Einstein-Kondensats bilden .

Grundlegende Bosonen

Nach dem Standardmodell der Quantenphysik gibt es eine Reihe grundlegender Bosonen, die nicht aus kleineren Teilchen bestehen. Dies schließt die grundlegenden Messbosonen ein, die Teilchen, die die fundamentalen Kräfte der Physik vermitteln (mit Ausnahme der Schwerkraft, auf die wir gleich noch eingehen werden). Diese vier Gauge-Bosonen haben Spin 1 und wurden alle experimentell beobachtet:

  • Photon. Als Lichtteilchen bekannt, tragen Photonen die gesamte elektromagnetische Energie und fungieren als Messboson, das die Kraft elektromagnetischer Wechselwirkungen vermittelt.
  • Gluon – Gluonen vermitteln die Wechselwirkungen der starken Kernkraft, die Quarks zu Protonen und Neutronen zusammenhält und die Protonen und Neutronen im Atomkern zusammenhält.
  • W Boson – Einer der beiden Messbosonen, die an der Vermittlung der schwachen Atomkraft beteiligt sind.
  • Z Boson – Einer der beiden Messbosonen, die an der Vermittlung der schwachen Atomkraft beteiligt sind.

Darüber hinaus werden weitere grundlegende Bosonen vorhergesagt, jedoch (noch) nicht eindeutig experimentell bestätigt:

  • Higgs-Boson. Nach dem Standardmodell ist das Higgs-Boson das Teilchen, aus dem alle Massen entstehen. Am 4. Juli 2012 gaben Wissenschaftler des Large Hadron Collider bekannt, dass sie guten Grund zu der Annahme hatten, Beweise für das Higgs-Boson gefunden zu haben. Weitere Forschungen werden durchgeführt, um bessere Informationen über die genauen Eigenschaften des Partikels zu erhalten. Es wird vorausgesagt, dass das Teilchen einen Quantenspinwert von 0 hat, weshalb es als Boson klassifiziert wird.
  • Graviton. Das Graviton ist ein theoretisches Teilchen, das noch nicht experimentell nachgewiesen wurde. Da die anderen fundamentalen Kräfte – Elektromagnetismus, starke Kernkraft und schwache Kernkraft – alle mit einem Messboson erklärt werden, das die Kraft vermittelt, war es nur natürlich zu versuchen, denselben Mechanismus zur Erklärung der Schwerkraft zu verwenden. Das resultierende theoretische Teilchen ist das Graviton, von dem vorhergesagt wird, dass es einen Quantenspinwert von 2 hat.
  • Bosonische Superpartner – Nach der Theorie der Supersymmetrie hätte jede Fermion ein bislang unentdecktes bosonisches Gegenstück. Da es 12 fundamentale Fermionen gibt, würde dies darauf hindeuten, dass – wenn die Supersymmetrie wahr ist – weitere 12 fundamentale Bosonen noch nicht entdeckt wurden, vermutlich weil sie sehr instabil sind und in andere Formen zerfallen sind.

Zusammengesetzte Bosonen

Einige Bosonen werden gebildet, wenn sich zwei oder mehr Teilchen zu einem Ganzzahl-Spin-Teilchen verbinden, wie z.

  • Mesonen – Mesonen entstehen, wenn sich zwei Quarks verbinden. Da Quarks Fermionen sind und halbzahlige Spins haben, wäre der Spin des resultierenden Partikels (das die Summe der einzelnen Spins ist) eine ganze Zahl, wenn zwei von ihnen miteinander verbunden wären, was es zu einem Boson macht.
  • Helium-4-Atom – Ein Helium-4-Atom enthält 2 Protonen, 2 Neutronen und 2 Elektronen … und wenn Sie alle diese Spins addieren, erhalten Sie jedes Mal eine ganze Zahl. Helium-4 ist besonders bemerkenswert, da es beim Abkühlen auf extrem niedrige Temperaturen zu einem Superfluid wird, was es zu einem hervorragenden Beispiel für die Bose-Einstein-Statistik in Aktion macht.

Wenn Sie der Mathematik folgen, wird jedes zusammengesetzte Teilchen, das eine gerade Anzahl von Fermionen enthält, ein Boson sein, da eine gerade Anzahl von halben ganzen Zahlen immer zu einer ganzen Zahl addiert wird.

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