Bosoni

Bosoniksi sanotaan alkeishiukkasia ja niiden yhdistelmiä, joiden spin on kokonaisluku. Bosonit on nimetty Satyendra Bosen mukaan. Useita bosoneja käsittävä systeemi noudattaa Bosen–Einsteinin statistiikkaa. 

Yleisesti ottaen hiukkaset voidaan jakaa kahteen luokkaan spinin mukaan: Mikäli spin on puoliluku (useimmiten +1/2, –1/2, +3/2 tai –3/2), kutsutaan hiukkasta fermioniksi ja spinin ollessa kokonaisluku (0, 1, 2), on kyseessä bosoni.

Bosoni vai fermioni?

Hiukkasten erottelu bosoneihin ja fermioneihin perustuu kvanttimekaniikkaan. Fermioneja koskee Paulin kieltosääntö, jonka mukaan kahta tai useampaa saman lajin fermionia ei voi olla samassa kvanttilukujen määrittämässä kvanttimekaanisessa tilassa. Bosoneja tämä kieltosääntö ei koske, vaan niitä voi olla samassa kvanttitilassa kuinka monta tahansa.

Ero bosonien ja fermionien välillä perustuu viime kädessä niiden aaltofunktion käyttäytymiseen kahden hiukkasen vaihdossa. Kahden identtisen fermionin aaltofunktio on antisymmetrinen, bosonien tapauksessa symmetrinen. Tällöin kahden samassa tilassa olevan samanlaisen fermionin yhdistetty aaltofunktio häviää identtisesti, joten tällainen kokonaistila ei ole mahdollinen. 

Erona bosonien ja fermionien välillä on myös se, että fermionien eri ryhmille kuten baryoneille ja leptoneille on voimassa lukumäärän säilymislaki. Tällaista säilymislakia ei ole bosoneille, vaan niitä voi eri vuorovaikutustapahtumissa syntyä ja hävitä.

Bosonit

Bosonit jakaantuvat kahteen ryhmään: perusvuorovaikutusta välittäviin alkeishiukkasiin ja yhdistelmähiukkasiin.

Alkeishiukkasbosonit 

Mittabosonit ovat alkeishiukkasia eikä niillä siis ole omaa sisäistä rakennetta, ja ne toimivat fermioneiden välillä perusvuorovaikutusten välittäjinä. Hiukkasfysiikan standardimallin mukaisesti mittabosoneita ovat

 gluoni, joka välittää vahvaa vuorovaikutusta
 W- ja Z-bosonit, jotka välittävät heikkoa vuorovaikutusta
 fotoni, joka välittää sähkömagneettista vuorovaikutusta

Myös gravitaatiovuorovaikutuksen hypoteettinen välittäjähiukkanen, gravitoni, on teorian mukaan bosoni, samoin kuin standardimallin ennustama Higgsin hiukkanen on bosoni. Standardimallin muut hiukkaset ovat fermioneja.

Yhdistelmäbosonit 

Yhdistelmähiukkaset koostuvat pienemmistä hiukkasista ja eivät täten ole alkeishiukkasia. Yhdistelmähiukkaset kuuluvat joko bosoneihin tai fermioneihin. Fermionien (esimerkiksi kvarkkien) spin on puoliluku. Yhdistäessä parillinen määrä spin-½-hiukkasia saadaan yhdistelmähiukkanen, jonka spin on kokonaisluku. Tällainen yhdistelmähiukkanen on siis bosoni, vaikka se koostuukin fermioneista.

Esimerkkejä yhdistelmähiukkasbosoneista: 

 mesoni, joka koostuu kahdesta kvarkista (esimerkiksi pioni ja kaoni). 
 hiili-12-ydin, joka sisältää 12 fermionia: 6 protonia ja 6 neutronia
 helium-4-ydin, joka sisältää 4 fermionia: 2 protonia, 2 neutronia

Katso myös
 Bosen-Einsteinin kondensaatti
 Fermioni
 Mittabosoni
 Suprajohtavuus

Lähteet

Aiheesta muualla

 Hiukkasseikkailu – Bosonit, Fermionit

Bosonit
Kvanttimekaniikka
Seulonnan keskeiset artikkelit