Bozoni

Bozoni su čestice celog spina ($S=0,1,2,\dots$), za razliku od fermiona koji imaju polovni spin ($S={\frac {1}{2}},{\frac {3}{2}}\dots$). Za njih ne važi Paulijev princip koji važi za fermionske čestice, već su stanja koja će bozoni zauzeti u datom sistemu opisana Boze-Ajnštajnovom raspodelom. Za razliku od fermiona, više bozona mogu zauzimati potpuno isto kvatntno stanje. Bozoni su dobili naziv po indijskom fizičaru Satjendri Natu Bozeu (Satyendra Nath Bose) na predlog Pola Diraka. Sve elementarne čestice se dele na fermione i bozone. U bozonske elementarne čestice spadaju gluon, foton, W⁺, W^- i Z⁰ bozon, teorijski predviđeni graviton, itd. I kompozitne čestice mogu biti bozoni, kao što su mezon ili stabilna jezgra parnog masenog broja (npr. deuterijum, $^{4}He$) Takođe, mnoge kvazičestice su bozoni kao što su fonon, plazmon, Kuperov par, itd. Kada se gas bozonskih čestica ohladi do jako niskih temperatura, jako veliki broj bozona zauzima najniže kvantno stanje u sistemu i dolazi do Boze-Ajnštajnove kondenzacije. Primeri Boze-Ajnštajnove kondenzacije susuperfluidnost, BCS teorija superprovodnosti, itd. U takva stanja mogu doći bozoni ili bozonske kvazičestice sačinjene od fermiona (Kuperovi parovi).

Talasna funkcija bozona je simetrična funkcija. Na slici je prikazana talasna funkcija koja opisuje stanje 2 bozona u beskonačnoj potencijalnoj jami.

Standardni model elementarnih čestica, s baždarnim i Higsovim bozonom.

U pojednostavljenom Borovom modelu atoma vodonika, Balmerova serija nastaje skokom elektrona na drugi energetski nivo (n = 2). Prikazana je emisija kvanta svetlosti. Prelaz elektrona prestavlja H-alfa, prvu liniju Balmerove serije, talasne dužine 656 nm.

Pregled temeljnih međudelovanja između subatomskih čestica opisanih standardnim modelom.

Animacija međudelovanja jake nuklearne sile (ili rezidualne jake nuklearne sile). Mali obojeni dvostruki diskovi su gluoni.

Simulacija hipotetskog raspada Higsovog bozona.

Gravitacioni talasi naizmenično sabijaju i rastežu prostor kroz koji prolaze.

Prema standardnom modelu, s obzirom na vrednost spina, sve elementarne čestice dele se u dve velike grupe: fermione i bozone. U fermione spadaju elementarne čestice koje izgrađuju svu poznatu materiju u svemiru, dok u bozone spadaju elementarne čestice koje se nazivaju baždarni bozoni. To su bozoni koji nemaju unutrašnju strukturu, u potpunosti su elementarni i definišu se kao čestice prenosnici 3 temeljne sile prirode (jaka nuklearna sila, slaba nuklearna sila i elektromagnetska sila), ne računajući gravitaciju.

Bozon	Oznaka	Antičestica	Električni naboj Q/e	Spin	Masa (MeV/c2)
foton	γ	sam sebi	0	1	0
W-bozon	W-	W+	-1	1	80,38
Z-bozon	Z	sam sebi	0	1	91,19
gluon	g	sam sebi	0	1	0
Higsov bozon	H0	sam sebi	0	0	125,09
graviton	G	sam sebi	0	2	0

Foton

Glavni članak: Foton

Foton (prema grč. φῶς, genitiv: φωτός: svetlοst), svetlosni kvant ili kvant elektromagnetskog zračenja (oznaka γ) je osnovni delić energije elektromagnetskoga zračenja, elementarna čestica koja je posrednik u prenošenju elektromagnetskoga međudelovanja. U vakuumu se foton kreće brzinom svetlosti, a nema masu, električni naboj, ni energiju mirovanja. Njegov je spin jednak jedinici i pripada u grupi bozona. Foton kao pojam uveo je A. Ajnptajn 1905. kako bi objasnio fotoelektrični učinak, koji se nije mogao objasniti s pomoću talasne teorije elektromagnetnoga zračenja. Elektromagnetno zračenje frekvencije ν pokazuje pri međudelovanju s materijom da se sastoji od nedeljivih fotona energije:

$E=h\cdot \nu$

gde je: h - Plankova konstanta. Fotoni nastaju u mnogim prirodnim procesima: pri ubrzavanju električki nabijenih čestica (sinhrotronsko zračenje), pri nuklearnom, atomskom ili molekularnom pretvaranju (transformaciji) iz stanja više energije u stanje niže energije, pri poništenju (anihilaciji) čestica i antičestica.

W i Z bozoni

Glavni članak: W i Z bozoni

W i Z bozoni su elementarne čestice prenosnici slabe nuklearne sile, odgovorne za raspade protona u neutrone i obrnuto. Za razliku od ostalih baždarnih bozona, mase mirovanja su mi različite od nule, a iznose 80,4 i 91,2 GeV/c², što je gotovo 100 puta više od mase protona, zbog čega im je delovanje ograničeno na atomsko jezgro.

W-bozon

W-bozon (oznaka W^±) je subatomska čestica koja kao prenosnik temeljne slabe nuklearne sile postoji u dva električki nabijena stanja, u negativnom stanju je čestica, a u pozitivnom stanju je antičestica. Sa Z-bozonom, gluonom i fotonom čini grupu baždarnih bozona elektroslabog i jakoga međudelovanja (jaka nuklearna sila). W-bozoni otkriveni su 1983. u CERN-u u Ženevi, u skladu s predviđanjima modela Š. L. Glašoua, S. Vajnberga i A. Salama (Nobelova nagrada za fiziku 1979). Njihova srazmerno velika masa, m_W = 80,385 ± 0,015 GeV/c², objašnjava kratkodosežnost i izrazito malu jačinu slabe sile pri uobičajenim niskoenergijskim procesima subatomskih čestica.

Z-bozon

Z-bozon (oznaka Z) je subatomska čestica koja je prenosnik temeljne slabe sile, električno je neutralna i sama sebi antičestica. S W-bozonom, gluonom i fotonom čini baždarne bozone elektroslabog i jakoga međudelovanja. Z-bozoni otkriveni su 1983. u CERN-u u Ženevi, u skladu s predviđanjima modela Š. L. Glašoua, S. Vajnberga i A. Salama (Nobelova nagrada za fiziku 1979). Njihova srazmerno velika masa, m_Z = 91,1875 ± 0,0021 GeV/c², objašnjava kratkodosežnost i izrazito malu jačinu slabe sile pri uobičajenim niskoenergijskim procesima subatomskih čestica.

Gluon

Glavni članak: Gluon

Gluon (eng. gluon, od glue: lepak koje dolazi od fran. glu: lepak [od imele] i kasnolat. glus, genitiv glutis, za klas. lat. gluten; oznaka g) je elementarna čestica bez mase, koja prenosi temeljno jako međudelovanje (jaka nuklearna sila) i veže kvarkove u hadronima, bozon spina 1. Međudelovanje kvarkova prenosi se emisijom i apsorpcijom gluona, slično kao što se elektromagnetsko međudelovanju prenosi fotonima. Razlika je u tome što fotoni nemaju električni naboj i uzajamno međusobno nedeluju, a gluoni imaju 8 vrsta naboja boje te između njih deluje jaka sila. Gluone je teorijski predvideo M. Gel-Man 1964. a eksperimentima su potvrđeni 1979. pomoću gluonskih mlazova u istraživačkom središtu DESY (nemački elektronski sinhrotron) u Hamburgu.

Higsov bozon

Glavni članak: Higsov bozon

Higsov bozon (po P. Higsu; oznaka H⁰) je bozon uveden u standardnu teoriju čestica i sila (1964) radi objašnjenja kako je prilikom nastanka svemira narušena elektroslaba simetrija, te je nastao veći broj subatomskih čestica nego antičestica i zašto čestice imaju masu. Njegova je masa približno 125,09 GeV/c², spin 0, vreme poluraspada 1,56 × 10⁻²² s, električni je neutralan i sam je sebi antičestica. Može se raspasti na dva W-bozona:

$\mathrm {H} ^{0}\rightarrow \mathrm {W} ^{+}+\mathrm {W} ^{-}$

dva Z-bozona:

$\mathrm {H} ^{0}\rightarrow \mathrm {Z} ^{0}+\mathrm {Z} ^{0}$

dva fotona:

$\mathrm {H} ^{0}\rightarrow \mathrm {\gamma } +\mathrm {\gamma }$

i drugo.

Graviton

Glavni članak: Graviton

Graviton (prema gravitacija) je kvant gravitacionog polja, prenosnik temeljne gravitacione sile. To je čestica s masom mirovanja jednakom nuli i nultim nabojem, bozon sa spinom 2∙h, a pripadno je polje tenzorsko. Graviton bi trebao biti kvant gravitacionih talasa, što ih je kao promene prostor-vremena koje se širi brzinom svetlosti. Ajnštajn predvidio već 1916. U supersimetričnim minimalnim proširenjima standardnoga modela (fizika elementarnih čestica), čestice celobrojnoga spina dobivaju partner-česticu poluceloga spina. Tako bi gravitonu spina 2∙h odgovarao gravitino poluceloga spina 3∙h/2.

Vidi još

• Boze-Ajnštajnova statistika
• Fermi-Dirakova statistika
• Elementarne čestice

Literatura

• A. Ali and G. Kramer (2011). „JETS and QCD: A historical review of the discovery of the quark and gluon jets and its impact on QCD”. European Physical Journal H. 36 (2): 245—326. Bibcode:2011EPJH...36..245A. S2CID 54062126. arXiv:1012.2288 . doi:10.1140/epjh/e2011-10047-1. 
• Close, Frank (2004). Particle Physics: A Very Short Introduction. Oxford University Press. ISBN 978-0-19-280434-1. 
• Close, Frank; Marten, Michael; Sutton, Christine (2004). The Particle Odyssey: A Journey to the Heart of the Matter. The Particle Odyssey : A Journey to the Heart of the Matter. Bibcode:2002pojh.book.....C. ISBN 9780198609438. 
• Ford, Kenneth W. (2005). The Quantum World. Harvard University Press. 
• Oerter, Robert (2006). The Theory of Almost Everything: The Standard Model, the Unsung Triumph of Modern Physics. Plume. 
• Schumm, Bruce A. (2004). Deep Down Things: The Breathtaking Beauty of Particle Physics. Johns Hopkins University Press. ISBN 978-0-8018-7971-5. 
• Close, Frank (2006). The New Cosmic Onion. Taylor & Francis. ISBN 978-1-58488-798-0. 
• Robinson, Matthew B.; Bland, Karen R.; Cleaver, Gerald. B.; Dittmann, Jay R. (2008). „A Simple Introduction to Particle Physics”. arXiv:0810.3328  [hep-th]. 
• Robinson, Matthew B.; Ali, Tibra; Cleaver, Gerald B. (2009). „A Simple Introduction to Particle Physics Part II”. arXiv:0908.1395  [hep-th]. 
• Griffiths, David J. (1987). Introduction to Elementary Particles. Wiley, John & Sons, Inc. ISBN 978-0-471-60386-3. 
• Kane, Gordon L. (1987). Modern Elementary Particle Physics. Perseus Books. ISBN 978-0-201-11749-3. 
• Perkins, Donald H. (1999). Introduction to High Energy Physics. Cambridge University Press. ISBN 978-0-521-62196-0. 
• Povh, Bogdan (1995). Particles and Nuclei: An Introduction to the Physical Concepts. Springer-Verlag. ISBN 978-0-387-59439-2. 
• Boyarkin, Oleg (2011). Advanced Particle Physics Two-Volume Set. CRC Press. ISBN 978-1-4398-0412-4. 

Spoljašnje veze

• Fermilab
• Particle physics – it matters Arhivirano na sajtu Wayback Machine (9. mart 2011) – the Institute of Physics
• Nobes, Matthew (2002) "Introduction to the Standard Model of Particle Physics" on Kuro5hin: Part 1, Part 2, Part 3a, Part 3b.