보손

입자물리학에서 보손(boson,   entry "Boson")은 스핀 양자수가 정수 값(0, 1, 2, ...)을 갖는 아원자 입자이다. 보손은 아원자 입자의 두 가지 기본 부류 중 하나를 형성하며, 다른 하나는 반정수 스핀(1/2, 3/2, 5/2, ...)을 갖는 페르미온이다. 관측된 모든 아원자 입자는 보손 아니면 페르미온이다. 폴 디랙은 인도 물리학자 사티엔드라 나트 보스의 공헌을 기리기 위해 보손이라는 이름을 지었다.

일부 보손은 입자물리학에서 (때때로 "일반 물질"의 구성 요소로 설명되는) 페르미온의 역할과 구별되는 특별한 역할을 하는 기본 입자이다. 특정 기본 보손(예: 글루온)은 다른 입자들 사이의 힘을 발생시키는 매개 입자로 작용하며, 하나(힉스 보손)는 질량 현상에 기여한다. 중간자와 같은 다른 보손들은 더 작은 구성 성분으로 이루어진 복합 입자이다.

입자물리학의 영역 밖에서, 여러 개의 동일한 복합 보손은 고밀도 또는 저온에서 보스-아인슈타인 통계에 의해 설명되는 특징적인 방식으로 행동한다. 예를 들어, 헬륨-4 원자 기체는 절대 영도에 가까운 온도에서 초유체가 된다. 마찬가지로, 쿠퍼 쌍과 같은 일부 준입자들이 이러한 특징적인 방식으로 행동하기 때문에 초전도 현상이 발생한다.

 이름 
보손이라는 이름은 인도 물리학자 사티엔드라 나트 보스의 공헌을 기리기 위해 폴 디랙이 명명했다. 보스가 벵골(현재 방글라데시)의 다카 대학교에서 상급 강사(나중에 교수)로 재직할 때, 그와 알베르트 아인슈타인은 현재 보스-아인슈타인 통계 및 보스-아인슈타인 응축으로 알려진 이러한 입자들의 특성을 규명하는 이론을 개발했다.

 기본 보손 

관측된 모든 기본 입자는 보손(정수 스핀) 또는 페르미온(반정수 스핀)이다. 일반 물질을 구성하는 기본 입자(렙톤 및 쿼크)는 페르미온인 반면, 기본 보손은 입자물리학에서 특별한 역할을 차지한다. 이들은 다른 입자들 사이에 힘을 발생시키는 매개 입자로 작용하거나, 한 가지 경우에는 질량 현상을 발생시킨다.

입자물리학의 표준 모형에 따르면 다섯 종류의 기본 보손이 있다:
 한 종류의 스칼라 보손 (스핀 = 0)
 힉스 보손 – 힉스 메커니즘을 통해 질량 현상에 기여하는 입자
 매개 입자로 작용하는 네 종류의 벡터 보손 (스핀 = 1). 이들은 게이지 보손이다:
  광자 – 전자기장의 매개 입자
  글루온 (8가지 유형) – 강한 상호작용을 매개하는 매개 입자
  중성 약보손 – 약한 상호작용을 매개하는 매개 입자
  전하 약보손 (두 종류) – 마찬가지로 약한 상호작용을 매개하는 매개 입자
 중력자(G)라고 불리는 2차 텐서 보손(스핀 = 2)은 중력의 매개 입자로 가설이 세워졌으나, 지금까지 표준 모형에 중력을 포함시키려는 모든 시도는 실패했다.

 복합 보손 

복합 입자(강입자, 원자핵, 원자 등)는 구성 성분에 따라 보손이 될 수도 있고 페르미온이 될 수도 있다. 보손은 정수 스핀을 갖고 페르미온은 반정수 스핀을 가지므로, 짝수 개의 페르미온으로 이루어진 모든 복합 입자는 보손이다 (예: 수소 원자의 쿼크 3개와 전자 1개의 경우, 1/2 + 1/2 + 1/2 + 1/2 = 2).

복합 보손의 예는 다음과 같다:
 모든 유형의 중간자
 중수소, 헬륨-4(알파 입자), 탄소-12, 납-208 및 기타 많은 안정한 질량수가 짝수인 원자핵.질량수가 짝수인 핵종은 모든 안정한 핵종의  = 60%를 차지한다. 이들은 보손이며, 즉 정수 스핀을 가지며, 거의 대부분(153개 중 148개)이 양성자 짝수/중성자 짝수(EE) 핵종이다. EE 핵종은 쌍을 이루기 때문에 반드시 스핀이 0이다. 나머지 5개의 안정한 보손 핵종은 양성자 홀수/중성자 홀수(OO) 안정한 핵종이다(짝수 및 홀수 원자핵#홀수 양성자, 홀수 중성자 참조). 5개의 홀수-홀수 보손 핵종은 다음과 같다:







다섯 개 각각은 0이 아닌 정수 스핀을 갖는다.

양자역학적 입자로서, 고밀도에서 구별 불가능한 여러 보손의 행동은 보스-아인슈타인 통계에 의해 설명된다. 초유체 현상 및 보스-아인슈타인 응축의 다른 응용에서 중요해지는 한 가지 특징은 동일한 양자 상태를 점유할 수 있는 보손의 수에 제한이 없다는 것이다. 결과적으로, 예를 들어 헬륨-4 원자 기체가 절대 영도에 매우 가까운 온도로 냉각되어 입자의 운동 에너지를 무시할 수 있게 되면, 저에너지 상태로 응축되어 초유체가 된다.

응집물질 시스템의 다른 예로는 초전도체의 쿠퍼 쌍과 반도체의 엑시톤이 있다.Monique Combescot and Shiue-Yuan Shiau, "Excitons and Cooper Pairs: Two Composite Bosons in Many-Body Physics", Oxford University Press ().

 준입자 
쿠퍼 쌍, 플라스몬, 포논을 포함한 특정 준입자들은 보손으로 행동하며 보스-아인슈타인 통계를 따르는 것이 관찰된다.

 각주 

 내용주

 외부 링크 



분류:물리학 개념
분류:양자장론
분류:원자물리학
분류:통계역학