Бозон

Материал из Википедии — свободной энциклопедии
Перейти к навигации Перейти к поиску
Бозон
Состав Может быть фундаментальной частицей, элементарной частицей, квазичастицей или составной
Классификация См. список бозонов
Участвует во взаимодействиях Гравитационное[1] (общее)
В честь кого или чего названа Бозе Шатьендранат
Квантовые числа
Спин Целый[2] ħ

Бозо́н — частица или квазичастица с целым значением спина (собственного момента импульса), выраженного в единицах постоянной Планка [2]. Бозоны, в отличие от фермионов, подчиняются статистике Бозе — Эйнштейна, которая допускает, чтобы в одном квантовом состоянии могло находиться неограниченное количество одинаковых частиц[3].

Бозоны получили название по фамилии индийского физика Ш. Бозе. Термин «бозон» был предложен Полем Дираком[4].

Системы из двух и более одинаковых бозонов описываются чётными относительно перестановок частиц волновыми функциями: для любых двух частиц i и j.

Различают элементарные (фундаментальные) бозоны и составные.

Элементарные бозоны[править | править код]

Большинство элементарных бозонов являются квантами калибровочных полей, при помощи которых осуществляется взаимодействие элементарных фермионов (лептонов и кварков) в Стандартной модели. К таким калибровочным бозонам относят:

Кроме этого, к элементарным бозонам относят бозон Хиггса, ответственный за механизм появления масс в электрослабой теории, и не обнаруженный до настоящего времени гравитон (гравитационное взаимодействие).

Все элементарные бозоны, за исключением W±-бозонов, не имеют электрического заряда. Глюоны электрически нейтральны, но несут цветовой заряд.

W +- и W-бозоны по отношению друг к другу выступают как античастицы.

Калибровочные бозоны (фотон, глюон, W ±- и Z-бозоны) имеют единичный спин, бозон Хиггса несёт нулевой спин, гипотетический гравитон имеет спин 2.

МезонМезонБарионНуклонКваркЛептонЭлектронАдронАтомМолекулаФотонW- и Z-бозоныГлюонГравитонЭлектромагнитное взаимодействиеСлабое взаимодействиеСильное взаимодействиеГравитацияКвантовая электродинамикаКвантовая хромодинамикаКвантовая гравитацияЭлектрослабое взаимодействиеТеория великого объединенияТеория всегоЭлементарная частицаВеществоБозон Хиггса
Краткий обзор различных семейств элементарных и составных частиц, и теории, описывающие их взаимодействия. В поле элементарных частиц слева — фермионы, справа — бозоны. (Изображение интерактивно.)

Свойства фундаментальных бозонов[править | править код]

Название Заряд (e) Спин Масса (ГэВ) Переносимое взаимодействие
Фотон 0 1 0 Электромагнитное взаимодействие
W ± ±1 1 80,4 Слабое взаимодействие
Z 0 0 1 91,2 Слабое взаимодействие
Глюон 0 1 0 Сильное взаимодействие
Бозон Хиггса 0 0 ≈125 Поле Хиггса


Составные бозоны[править | править код]

Квантовая система, состоящая из произвольного числа бозонов и чётного числа фермионов, сама является бозоном. Примеры: ядро с чётным массовым числом A (поскольку нуклоныпротоны и нейтроны — являются фермионами, а массовое число равно суммарному числу нуклонов в ядре); атом или ион с чётной суммой числа электронов и массового числа ядра (поскольку электроны также являются фермионами, и общее количество фермионов в атоме/ионе равно сумме числа нуклонов в ядре и числа электронов в электронной оболочке). При этом орбитальные моменты импульса частиц, входящих в состав квантовой системы, не влияют на её классификацию как фермиона или бозона, поскольку все орбитальные моменты являются целыми, и их добавление в любой комбинации к суммарному целому спину системы не может превратить его в полуцелый (и наоборот). Система, содержащая нечётное число фермионов, сама является фермионом: её суммарный спин всегда полуцелый. Так, атом гелия-3, состоящий из двух протонов, нейтрона и двух электронов (в сумме пять фермионов) является фермионом, а атом лития-7 (три протона, четыре нейтрона, три электрона) является бозоном. Для нейтральных атомов число электронов совпадает с числом протонов, т.е. сумма числа электронов и протонов всегда чётна, поэтому фактически классификация нейтрального атома как бозона/фермиона определяется чётным/нечётным числом нейтронов в его ядре.

В частности, к составным бозонам относятся многочисленные двухкварковые связанные состояния, называемые мезонами. Как и у любых систем из двух (и вообще чётного числа) фермионов, спин мезонов является целочисленным, и его значение, в принципе, не ограничено (0, 1, 2, 3, …).

Бозонные звёзды[править | править код]

Бозонная звезда — гипотетический астрономический объект, состоящий из бозонов (в отличие от обычных звёзд, состоящих преимущественно из фермионов — электронов и нуклонов). Для того, чтобы подобный тип звёзд мог существовать, должны существовать стабильные бозоны, обладающие малой массой (например, аксионы — гипотетические лёгкие частицы, рассматривающиеся как один из кандидатов на роль составляющих тёмной материи)[5][6].

Квазичастицы[править | править код]

Квазичастицы, описываемые как кванты коллективных возбуждений в многочастичных системах (например, в конденсированных средах), также могут нести спин и классифицироваться как бозоны и фермионы. В частности, бозонами являются фононы («кванты звука»), магноны (кванты спиновых волн в магнетиках), ротоны (возбуждения в сверхтекучем гелии-4).


См. также[править | править код]

Примечания[править | править код]

  1. Удивительный мир внутри атомного ядра. Вопросы после лекции, ФИАН, 11 сентября 2007 года
  2. 1 2 Физика атомного ядра. Введение. msu.ru. Проверено 21 апреля 2017.
  3. Существует ли суперсимметрия в мире элементарных частиц?. postnauka.ru. Проверено 21 апреля 2017.
  4. Санюк В. И., Суханов А. Д. Дирак в физике XX века. С. 982—983.
  5. Madsen, Mark S.; Liddle, Andrew R. (1990). «The cosmological formation of boson stars». Physics Letters B 251 (4). DOI:10.1016/0370-2693(90)90788-8.
  6. Torres, Diego F.; Capozziello, S.; Lambiase, G. (2000). «Supermassive boson star at the galactic center?». Physical Review D 62 (10). DOI:10.1103/PhysRevD.62.104012.