Bozon

Parçacık fiziğinde, bozonlar Bose-Einstein yoğunlaşmasına uyan parçacıklardır; Satyendra Nath Bose ve Einstein'a atfen isimlendirilmişlerdir. Fermi-Dirac istatistiklerine uyan fermiyonların tersine, farklı bozonlar aynı kuantum konumunu işgal eder. Böylece, aynı enerjiye sahip bozonlar uzayda aynı mekanı işgal edebilirler. Bu nedenle her ne kadar parçacık fiziğinde her iki kavram arasındaki ayrım kesin belirgin değilse de, fermiyonlar genelde madde ile bileşikken, bozonlar sıklıkla güç taşıyıcı parçacıklardır.
Bozonlar ya fotonlar gibi elementer ya da mezonlar gibi karşıt olabilirler. Buçuklu tam sayılı spinlere sahip olan fermiyonların aksine; tüm gözlenen bozonlar tam sayılı spinlere sahiptir.
Spin-istatistik teoremine göre; herhangi bir mantıklı Relativistik Kuantum Alan Teorisinde, buçuklu-tamsayılı parçacıkları olan spinler fermiyonken, tam sayılı spinlere sahip olan parçacıklar bozondurlar.
Çoğu bozonlar bileşik parçacıklar olmakla birlikte, Standart Model içinde beş temel bozon vardır:
Dört ayar bozonu (γ g W± Z);
Higgs bozonu (H0).
Graviton (G)
Ayar bozonlarının aksine, Graviton henüz deneysel olarak gözlemlenmemiştir. Süperakışkanlık ve diğer Bose-Einstein yoğunlaşmaları uygulamalarında bileşik bozonlar önemlidir.
Tanım ve temel özellikler
Tanım olarak, bozonlar Bose-Einstein istatistikleri'ne uyan parçacıklardır; iki bozon yer değiştirdiğinde dalga denklemi değişmez. Fermiyonlar ise Fermi-Dirac istatistikleri ve Pauli dışlama prensibine uyar: iki fermiyon aynı kuantum durumuna sahip olamaz, sonuç olarak fermiyonun bu özelliğinden dolayı maddenin "katılığı" ya da "direngenliği" gözlenir. Fermiyonlar maddenin yapı taşı olarak bilinirken, bozonlar etkileşimin yapı taşıkuvvet taşıyıcı) veya radyasyonu meydana getiren olarak bilinirler. Bozonların alanı, kanonik değişim ilişkisine uyan alandır.
Bose-Einstein yoğunlaşması, laser, maser ve süperakışkan helyum-4ün özellikleri bozon istatistiğinden kaynaklanır. Başka bir sonucu da foton gazının termal dengedeki tayfı olan Planck tayfıdır. Örneklerden biri kara cisim ışıması, bir başka örnek ise bugün arka plan mikrodalga ışıması olarak gözlenen Evren'in erken opak dönemimdeki termal ışımasıdır. Temel parçacıklar arasındaki etkileşime temel etkileşimler denir. Zahiri bozonların gerçek parçacıklarla temel etkileşimleri bilinen tüm kuvvetleri meydana getirir.
Bilinen tüm temel ve bileşik parçacıklar spinlerine bağlı olarak fermiyon ya da bozondur: yarım tam sayı spinli parçacıklar fermiyon, tam sayı spinli parçacıklar bozondur. Göreceli olmayana kuantum mekaniğini çerçevesinde bu tamamen deneysel bir gözlemdir. Ancak göreceli kuantum mekaniğinde spin istatistikleri teoremi, yarım tam sayı spinli parçacıkların bozon olamayacağını ve tam sayı spinli parçacıkların da fermiyon olamayacağını göstermiştir.
Büyük sistemlerde bozonik ve fermiyonik istatiklerin arasındaki fark, sadece yüksek yoğunluklarda (dalga denklerlerinin çakışma durumunda) ortaya çıkar. Düşük yoğunluklarda her iki istatistiklik de klasik mekanik tarafından tanımlanan Maxwell-Boltzmann istatistikleri ile açıklanabilir.
Temel bozonlar
Gözlenen tüm temel parçacıklar fermiyon ya da bozondur. Gözlenen temel bozonlar ayar bozonları: fotonlar, gluonlar ile W ve Z bozonlarıdır.
Fotonlar elektromanyetik alannın taşıyıcısıdır.
Gluonlar güçlü çekirdek kuvvetinin altında yatan kuvvet taşıyıcılardır.
W ve Z bozonları zayıf çekirdek kuvvetinin ortamını meydana getirir.
Bunlara ek olarak standart model Higss mekanizması sonucu diğer parçacıkların kütleye sahip olmalarını sağlayan bozonunın olduğunu iddia eder.
Son olarak, kuantum yerçekimine birçok yaklaşım yerçekimi kuvvetinin taşıyıcısı olan iki spinli graviton olduğunu iddia eder.
Bileşik bozonlar
Bileşik parçacıklar (atomlar, çekirdekler ve hadronlar gibi) yapı taşlarına bağlı olarak bozon ya da fermiyon olabilirler. Daha net olarak spin ve istatistiksel ilişkilerden dolayı çift sayıda fermiyon içeren parçacıklar tam sayı spine sahip olacağından bozondurlar.
Örneğin;
Fermiyonik bir tane kuark ve bir tane karşı kuark içeren mezon bozondur.
Karbon-12nin çekirdeği altı proton ve altı nötron (hepsi fermiyondur)) içerdiğinden bozondur.
Helyum-4 atomu iki proton, iki elektron ve iki nötron içerir ve bu sebepten bozondur.
Potansiyellerle bağlanan temel parçacıklardan meydana gelen bileşik parçacıklardaki bozon sayısının parçacığın bozon ya da fermiyon olması üzerine bir etkisi yoktur.
Birleşik parçacıkların (ya da sistemin) fermiyonik ya da bozonik özelliği büyük uzaklıklarda (sistemle kıyaslandığında) gözlenir. Boyutsal yapısının önemli olduğu yakınlıkta, bileşik parçacık (ya da sietem) bileşenlerine göre davranış özelliği gösterir. Örneğin iki tane Helyum-4 atomu eğer helyum atomunun kendi iç yapısıyla (~10−10m) kıyaslanırsa, Helyum-4'ün bozonik özelliklerine rağmen uzayda aynı yerde bulunamazlar. Bu sebepten sıvı helyumun, normal sıvı maddelerle kıyasla sonlu bir yoğunluğu vardır.
Diğer bozonlar
Graviton standart modelde olmasa da oldukça kabul edilebilir teorik bir Ayar Bozonudur. Ancak gravitonun doğası gereği fiziksel olarak algılanması (ölçülmesi) mümkün değildir.