Boson
Bosonen(nach dem indischen PhysikerSatyendranath Bose) sind alleTeilchen,die sich gemäß derBose-Einstein-Statistikverhalten, in der u. a. mehrereununterscheidbare Teilchenden gleichen Zustand einnehmen können. DemSpin-Statistik-Theoremzufolge haben sie einen ganzzahligen Eigendrehimpuls (Spin) in Einheiten derreduzierten Planck-Konstante.Daran kann man sie unterscheiden von denFermionenmit halbzahligem Spin und denAnyonenmit beliebigem (auch gebrochenzahligem) Spin; beide Typen haben damit einhergehend andere statistische Eigenschaften.
ImStandardmodellderTeilchenphysiksind dieAustauschteilchen,die die Kräfte zwischen den Fermionen vermitteln, elementare Bosonen mit einem Spin von 1, wie z. B. dasPhotonals Überträger derelektromagnetischen Kraft.Auch das hypothetischeGravitonals Träger derGravitationist ein Boson, allerdings mit einem Spin von 2. Darüber hinaus existiert mit demHiggs-Bosonim Standardmodell ein Boson mit einem Spin von 0.
Andere Bosonen sind aus mehreren Teilchen zusammengesetzt wie z. B. dieCooper-PaareausElektronenundPhononenals Ladungsträger imSupraleiter,Atomkernemit einer geradenNukleonenzahloder dieMesonen,also subatomareQuark-Antiquark-Paare. Des Weiteren können auch Quasiteilchen bosonische Eigenschaften zeigen, wie die bereits erwähnten Phononen oder dieSpinonen.
Einteilung nach dem Spin
[Bearbeiten|Quelltext bearbeiten]Die elementaren Bosonen werden je nach Spin verschieden bezeichnet. Grundlage dieser Bezeichnung ist ihr Transformationsverhalten unter den„eigentlichen orthochronen Lorentz-Transformationen “.Elementarteilchen können, außer in einer nichtlokalen oder einerStringtheorie,maximal einen Spin von 2 aufweisen, denn masselose Teilchen unterliegen demLow-Energy-Theorem[1],das die Kopplung von hohen Spins an Ströme anderen Spins ausschließt, sowie einem Verbot für Selbstwechselwirkungen[2]und für massive Teilchen wurde die generelle Nichtexistenz 2017 gezeigt.[3]Bosonen mit höherem Spin sind daher physikalisch weniger relevant, da sie nur als zusammengesetzte Teilchen auftreten.
| Spin | Bosontyp | Vertreter | |
|---|---|---|---|
| elementar | zusammengesetzt | ||
| 0 | Skalarboson | Higgs-Boson | Pionen,Alphateilchen |
| 1 | Vektorboson | Photon,W-Bosonen,Z-Boson,Gluonen | J/ψ-Meson,14N-Kern |
| 2 | Tensorboson | Graviton(hypothetisch) | 36Cl-Kern,60Co-Kern |
| 3 | – | – | 10B-Kern |
Makroskopische Quantenzustände
[Bearbeiten|Quelltext bearbeiten]Eine besondere Eigenschaft der Bosonen ist, dass sich bei Vertauschung zweier gleicher Bosonen diequantenmechanischeWellenfunktionnicht ändert (Phasenfaktor+1). Im Gegensatz dazu ändert sich bei einer Vertauschung zweier gleicherFermionendas Vorzeichen der Wellenfunktion. Die Begründung für die Invarianz der Wellenfunktion bei Bosonen-Vertauschung erfolgt über das relativ komplizierteSpin-Statistik-Theorem.Anschaulich erhält man nach zweimaligem Vertauschen (d. h. einer Spiegelung bzw. Anwendung desParitätsoperators) wieder den ursprünglichen Zustand; einmaliges Vertauschen kann also nur einen Faktor vom Betrag 1 erzeugen, der quadriert 1 ergibt, also entweder 1 oder −1, wobei die 1 den Bosonen entspricht.
Eine Konsequenz ist, dass sich gleichartige Bosonen zur selben Zeit am selben Ort (innerhalb derUnschärferelation) befinden können; man spricht dann von einemBose-Einstein-Kondensat.Mehrere Bosonen nehmen dann den gleichenQuantenzustandein, sie bildenmakroskopische Quantenzustände.Beispiele sind:
- dieSupraleitung,die durch bosonischeCooper-Paarebeschrieben wird,
- derLaser,bei dem Photonen denselben Zustand einnehmen,
- dieSuprafluidität,bei der bosonisches4Heoder6Likondensieren, oder bosonische Paare desfermionischen3He.
Zusammengesetzte Teilchen
[Bearbeiten|Quelltext bearbeiten]Fermionisches oder bosonisches Verhalten zusammengesetzter Teilchen kann nur aus größerer Entfernung (verglichen mit dem betrachteten System) beobachtet werden. Bei näherer Betrachtung (in einer Größenordnung, in der die Struktur der Komponenten relevant wird) zeigt sich, dass ein zusammengesetztes Teilchen sich entsprechend den Eigenschaften (Spins) der Bestandteile verhält. Beispielsweise können zweiHelium-4-Atome(Bosonen) nicht denselben Raum einnehmen, wenn der betrachtete Raum vergleichbar mit der inneren Struktur des Heliumatoms (≈10−10m) ist, da die Bestandteile des Helium-4-Atoms selbst Fermionen sind. Dadurch hat flüssiges Helium ebenso eine endliche Dichte wie eine gewöhnliche Flüssigkeit.
Supersymmetrische Bosonen
[Bearbeiten|Quelltext bearbeiten]In dem Modell der Elementarteilchen, das um dieSupersymmetrieerweitert ist, existieren weitere elementare Bosonen. Auf jedes Fermion kommt rechnerisch ein Boson alssupersymmetrisches Partnerteilchen,ein so genanntesSfermion,so dass sich der Spin jeweils um ±½ unterscheidet. Die Superpartner der Fermionen werden allgemein durch ein zusätzliches vorangestelltesS-benannt, so heißt z. B. das entsprechende Boson zumElektrondannSelektron.
Genau genommen wird zunächst im Wechselwirkungsbild jedem fermionischen Feld ein bosonisches Feld als Superpartner zugeordnet. Im Massebild ergeben sich die beobachtbaren oder vorhergesagten Teilchen jeweils alsLinearkombinationendieser Felder. Dabei muss die Zahl und der relative Anteil der zu den Mischungen beitragenden Komponenten auf der Seite der bosonischen Superpartner nicht mit den Verhältnissen auf der ursprünglichen fermionischen Seite übereinstimmen. Im einfachsten Fall (ohne oder mit nur geringer Mischung) kann jedoch einem Fermion (wie dem Elektron) ein bestimmtes Boson bzw. Sfermion (wie das Selektron) zugeordnet werden.
Darüber hinaus benötigt bereits dasminimale supersymmetrische Standardmodell(MSSM) im Unterschied zum Standardmodell (SM) mehrere bosonischeHiggs-Felderinklusive ihrer Superpartner.
Bisher wurde keines derpostuliertensupersymmetrischen Partnerteilchen experimentell nachgewiesen. Sie müssten demnach eine so hohe Masse haben, dass sie unter normalen Bedingungen nicht entstehen. Man hofft, dass die neue Generation derTeilchenbeschleunigerzumindest einige dieser Bosonen nachweisen kann. Anzeichen sprechen dafür, dass die Masse desleichtesten supersymmetrischen Teilchens(LSP) im Bereich einiger hundertGeV/c² liegt.
Weblinks
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- Was sind Bosonen?aus der Fernseh-Sendereihealpha-Centauri(ca. 15 Minuten).Erstmals ausgestrahlt am 1. Okt. 2003.
- Was sind W&Z Bosonen?aus der Fernseh-Sendereihealpha-Centauri(ca. 15 Minuten).Erstmals ausgestrahlt am 2. Aug. 2006.
Einzelnachweise
[Bearbeiten|Quelltext bearbeiten]- ↑Steven Weinberg:Photons and Gravitons in S-Matrix Theory: Derivation of Charge Conservation and Equality of Gravitational and Inertial Mass.In:Phys. Rev.Band135,4B,S.B1049–B1056,doi:10.1103/PhysRev.135.B1049(englisch).
- ↑Paolo Benincasa und Eduardo Conde:Exploring the S-matrix of Massless Particles.In:Phys. Rev. D.Band86,Nr.2,2012,doi:10.1103/PhysRevD.86.025007(englisch).
- ↑Nima Arkani-Hamed et al.:Scattering Amplitudes For All Masses And Spins.2017,arxiv:1709.04891(englisch).