بوزون‌ چیست؟

 

 

بوزون‌ها ذرات «اجتماعی» هستند و کیهان بدون آنها مکانی کسل‌کننده خواهد بود!!

تصویری از دو بوزون تولید شده توسط دو پروتون در حال برخورد. (اعتبار تصویر: مارک گارلیک/گتی ایماژ)

 

بوزون‌ها ذراتی هستند که انرژی و نیرو را در سراسر جهان حمل می‌کنند.

 

مدل استاندارد فیزیک ذرات – قوی‌ترین نظریه‌ای که در مورد دنیای زیر اتمی داریم – همه ذرات جهان و حتی ذرات مرکب بزرگ‌تر را به دو دسته کلی تقسیم می‌کند: فرمیون‌ها و بوزون‌ها

 

فرمیون‌هایی مانند کوارک‌ها، الکترون‌ها، نوترینوها، پروتون‌ها و نوترون‌ها پایه‌ی ماده هستند، در حالی که یک دسته از بوزون‌ها، بوزون‌های گیج، مسئول عمل به‌عنوان «حامل» حداقل سه نیروی از چهار نیروی اساسی هستند –  الکترومغناطیس نیروی هسته‌ای قوی و نیروی هسته‌ای ضعیف. این بدان معناست که فرمیون ها از طریق مبادله بوزون‌های گیج یا شاخص با یکدیگر تعامل دارند.

 

همچنین ممکن است یک بوزونی برای حمل نیروی گرانش وجود داشته باشد، اما این در حال حاضر قطعی نیست. بوزون‌های گیج ذرات بنیادی هستند – به این معنی که از ذرات کوچک‌تری تشکیل نشده‌اند – اما بوزون‌های دیگری هم هستند که از ذرات کوچک‌تری تشکیل شده‌اند.

 

بوزون‌ها: چه چیزی یک ذره را به بوزون تبدیل می‌کند؟

بوزون‌ها نام خود را از فیزیکدان هندی ساتیندرا ناث بوز گرفته‌اند که در دهه 1920 تحقیقات مهمی در مورد رفتار معروف‌ترین بوزون – فوتون – انجام داد.

 

یکی از مشخصه‌های تعیین‌کننده کلیدی بوزون‌ها به کیفیت مکانیکی کوانتومی به نام «اسپین» مربوط می‌شود که می‌توان آن را به‌عنوان انحراف ذره در هنگام تجربه یک میدان مغناطیسی در نظر گرفت که تکانه زاویه‌ای ایجاد می‌کند.

 

اگرچه اسپین مشابه است، اما در دنیای ماکروسکوپی فیزیک کلاسیک، اسپین پیچیده‌تر از تکانه زاویه‌ای است، عمدتاً به این دلیل که ذرات می‌توانند کسری از اسپین داشته باشند، به این معنی که هیچ روش «کلاسیک» واقعی برای توصیف اسپین وجود ندارد.

 

فرمیون ذره‌ای با اسپین 1/2 است که می‌تواند مقادیر مثبت یا منفی داشته باشد. این بدان معنی است که فرمیون‌ها می‌توانند مقادیری مانند 1/2، -1/2، 3/2 و -3/2 داشته باشند. مثبت یا منفی تعیین کننده جهت ذرات تکانه زاویه‌ای ذاتی است.

 

 

از آنجایی که بوزون‌ها از اصل طرد پائولی پیروی نمی‌کنند، برخلاف فرمیون‌های «غیراجتماعی» آزادند که اعداد کوانتومی یکسانی را اشغال کنند. خط قرمز نقطه‌چین نشان دهنده تشکیل میعانات بوز-اینشتین است. (اعتبار تصویر: رابرت لی)

 

از طرف دیگر، بوزون‌ها دارای اسپین‌های کامل از جمله صفر هستند. این بدان معناست که مقادیر اسپینی که این ذرات می‌توانند بگیرند 0، 1، -1، 2، -2 و غیره است.

 

از نظر ریاضی، جمع کردن دو نیمه با هم یک عدد صحیح درست می‌کند و به روشی مشابه، ترکیب تعداد زوج فرمیون، ذره بزرگ‌تری را ایجاد می‌کند که یک بوزون است.

 

اینها شامل مزون‌ها – – که هنگام پیوند دو کوارک تشکیل می‌شوند – و اتم‌های زوج با تعداد فرمیون‌های زوج هستند. به عنوان مثال، اتمهای هلیوم 4 بوزون هستند زیرا از دو پروتون، دو نوترون و دو الکترون تشکیل شده‌اند. اتم‌های هلیوم 4 زمانی که به خواص خاص و منحصر به فرد بوزون‌ها فکر می‌کنیم اهمیت ویژه‌ای پیدا می‌کنند.

 

انواع بوزون‌های مختلف

بوزون‌ها را می‌توان به چند روش تقسیم کرد، اما برای معرفی ذراتی که این بال «باغ‌وحش ذرات» را تشکیل می‌دهند، دسته‌بندی آنها به دو گروه تقریبی مفید است – ذراتی که ما شواهد تجربی درباره آن‌ها داریم و آن‌هایی که در حال حاضر فقط نظری هستند.

 

بوزون‌های کشف شده

فوتون‌ها

معروفترین بوزون گیج یا شاخص فوتون، ذره تشکیل دهنده نور و واسطه نیروی الکترومغناطیسی است.

 

برای فوتونهایی  —  که دارای اسپین 1 هستند  —  اسپین معادل مکانیکی کوانتومی قطبش یا جهتی است که موج نور در آن جهت می‌گیرد. این بدان معناست که اسپین‌های فوتون می‌توانند دارای جهت‌گیری موازی یا ضد موازی باشند.

 

فوتون‌ها اولین بوزون‌های اندازه‌گیری شده بودند که در آغاز قرن بیستم، ماکس پلانک و آلبرت اینشتین پیشنهاد کردند که نور در بسته‌های انرژی به نام «کوانتا» وجود دارد. نام «فوتون» در سال 1928 توسط شیمیدان آمریکایی گیلبرت لوئیس برای این کوانتاها معرفی شد.

 

تصویری از سه بوزون گیج مختلف: فوتونها، گلوئونها و بوزونهای W و Z. بوزونهای شاخص یا گیج مسئول حمل نیروهای اساسی جهان هستند. (اعتبار تصویر: رابرت لی)

 

گلوئون‌ها

گلوئونها، دومین بوزون گیج کشف شده، بوزون‌هایی هستند که نیروی هسته‌ای قوی را حمل می‌کنند. در نتیجه، آنها مسئول «چسباندن» ذرات دیگر به یکدیگر هستند.

 

به طور خاص، گلوئون‌ها کوارکها را به یکدیگر متصل می‌کنند تا پروتون و نوترون ایجاد کنند. اما گلوئون‌ها به همین جا ختم نمی‌شوند: آنها همچنین این ذرات مرکب را در هسته اتم در قلب همه مواد روزمره به هم متصل می‌کنند.

 

گلوئون‌ها در برخورد دهنده الکترون-پوزیترون PETRA در DESY آلمان در سال 1979 کشف شدند.

 

بوزون‌های W و Z

بوزون‌های W و Z، بوزون‌های گیج هستند که مسئول حمل نیروی هسته‌ای ضعیف  —  قوی‌تر از گرانش هستند اما فقط در محدوده‌های بسیار کوتاه مؤثر هستند. این بوزون‌های اسپین صفر مسئول واپاشی هسته‌ای هستند که در آن یک عنصر با کمک به تبدیل پروتون‌ها به نوترون و بالعکس به عنصر دیگر تغییر می‌کند.

 

یکی از مشکلات بزرگ بوزون‌های W و Z که در سال 1983 یافت شدند، این بود که چگونه جرم خود را به دست آورند، زیرا تئوری‌های آن زمان پیشنهاد می‌کردند که آنها باید مانند فوتون بدون جرم باشند.

 

بوزون‌های هیگز

بوزون هیگز برای اولین بار در مدل استاندارد فیزیک ذرات معرفی شد تا توضیح دهد که چگونه بوزون‌های W و Z جرم خود را به دست آوردند، اما نقش انبوه آن به عنوان تسهیل کننده میدان هیگز به زودی تقریباً به همه ذرات گسترش یافت.

 

بوزون هیگز در سال 2012 کشف شد که از برخوردهای پرانرژی پروتون و پروتون در برخورددهنده بزرگ هادرون (LHC) – قوی‌ترین شتاب‌دهنده ذرات جهان – پدید آمد.

بوزون هیگز دارای اسپین پیشنهادی صفر است و گفته می‌شود که کشف آن مدل استاندارد را تکمیل کرده است، اما هنوز فیزیک خارج از این مدل برای کشف وجود دارد. اکتشاف فیزیک فراتر از مدل استاندارد به این معنی است که بوزون‌های نظری دیگری برای کاوش وجود دارد.

 

بوزون‌های نظری

گراویتون‌ها

چیزی که چارچوب مدل استاندارد فیزیک ذرات قادر به توصیف آن نیست گرانش است. دلیلش این است که مکانیک کوانتومی – فیزیک زیر اتمی – و نسبیت عام، نظریه گرانش اینشتین، به هم متصل نیستند.

 

از آنجایی که گرانش در سطح زیر اتمی ناچیز است، گراویتون‌های از دست رفته و فقدان «نظریه کوانتومی گرانش» مانع این مدل نشده است.

 

سوپر شرکای بوزون

یکی از مدل‌های بالقوه فیزیک فراتر از مدل استاندارد، «ابر تقارن» است. این نظریه   – پیشنهاد شده برای “تثبیت” جرم بوزون هیگز – پیشنهاد می‌کند که هر فرمیون در باغ وحش ذرات یک شریک بوزونی دارد.

 

ذرات اضافی به «لغو» بخشی از جرم بوزون هیگز کمک می‌کند و توضیح می‌دهد که چرا نسبتاً سبک است.

 

 بوزون‌ها: ذرات «جامعه‌پذیر».

به لطف پدیده‌ای به نام اصل طرد پائولی، فرمیون‌های اسپین نیمه صحیح قادر به داشتن اعداد کوانتومی یکسان نیستند. این بدان معنی است که فرمیون‌ها قادر به جمع شدن با هم نیستند.

 

با این حال، بوزون‌ها با اسپین‌های عدد صحیح کامل خود، از اصل طرد پائولی تبعیت نمی‌کنند. این بدان معنی است که آنها می‌توانند از نزدیک با هم گروه شوند و باعث ایجاد برخی ویژگی‌های فیزیکی منحصر به فرد شوند.

 

رایج‌ترین مثال از بوزون‌های اجتماعی، نور لیزر است که از فوتون‌هایی با طول موج و فرکانس یکسان تشکیل شده است که همگی در یک جهت حرکت می‌کنند.

 

پرتوهای لیزر از فوتون‌ها، نوعی بوزون تشکیل شده‌اند. (اعتبار تصویر: Wladimir Bulgar/Getty Images)

 

نمونه عجیب‌تری از بوزون‌هایی که اصل طرد پائولی را به چالش می‌کشند در سال 1924 پیشنهاد شد. آلبرت اینشتین و بوز تعیین کردند که بوزونها باید در حالت پایه با هم متراکم شوند – – کم‌ترین حالت انرژی ممکن – – – که منجر به ایجاد ابر سیالیت بوز-اینشتین شود. در هلیوم مایع تا 2.17 کلوین خنک شده و در نتیجه کمترین انرژی ممکن را دارد.

 

الکترون‌های جفت شده – که “جفت کوپر” نامیده می‌شوند – به عنوان “شبه ذرات” طبقه‌بندی می‌شوند و می‌توانند مانند بوزون‌ها رفتار کنند و به حالتی با مقاومت الکتریکی صفر تبدیل شوند.

 

ترجمه: سارا سیدحاتمی

منبع:

What are bosons?

By Robert Lea

https://www.space.com/what-are-bosons