Sen bir fermiyon musun Veya bozon?
Tüm evrende, iki farklı temel parçacık türü vardır: fermiyonlar ve bozonlar. Tüm parçacıklar, kütle ve yüke ek olarak, aynı zamanda Çevirmek Doğa. Döndürmeleri yarım tam sayı olan parçacıklar (± 1/2, ± 3/2, ± 5/2 ... gibi) fermiyonlar, spinleri tam sayı olan parçacıklar (0, ± 1, ± 2, ... gibi) fermiyonlar olarak adlandırılır. Bozon.
Öyleyse soru şu: fermiyonlar ve bozonlar arasındaki fark nedir? Bir tamsayı olarak spin ile yarım tamsayı arasındaki fark mı?
Standart modeldeki temel parçacıkların tümü keşfedilmiştir. Kuarklar ve leptonlar fermiyonlardır. (Resim kaynağı: E.Siegel)
İlk bakışta, parçacıkların bu özelliklere göre sınıflandırılması tamamen rastgele görünüyor. Spindeki fark önemsiz görünüyor. Sonuçta, bazı daha belirgin farklılıklar var, örneğin:
-
Hem kuarklar hem de leptonlar fermiyonlara aittir, birincisi güçlü nükleer güç deneyimleyecek, ikincisi olmayacak Bu fark fermiyonlar ve bozonlar arasındaki farktan daha mı önemli?
-
Madde ve antimadde arasındaki fark, parçacıkların dönüşünden daha mı anlamlı?
-
Spin ile karşılaştırıldığında, parçacıkların kütlesinin olması daha mı önemli?
Ama aslında spin farkının birçok insanın fark etmediği iki çok önemli anlamı vardır.
Her şeyden önce, Sadece fermiyonların antiparçacık ortakları vardır. Bir kuarkın karşıt parçacığı bir antikuarktır, bir elektronun karşıt parçacığı bir pozitrondur ve bir nötrinonun karşıt parçacığı bir antinötrinodur. Diğer yandan, Anti-bozon diye bir şey yok , Birçok bozonun antiparçacıkları kendileridir.
Foton gibi bir bozon kendi antiparçacığı olabilir, ancak fermiyonlar (elektronlar gibi) ve antifermiyonlar (pozitronlar gibi) çok farklıdır. (Resim kaynağı: Andrew Deniszczyc, 2017)
Fermiyonlardan çeşitli kompozit parçacıklar yapılabilir.Örneğin, iki yukarı kuark ve bir aşağı kuark bir proton (ayrıca bir fermiyon) oluşturacaktır. Spinin çalışma şekli nedeniyle, eğer tek sayıda fermiyon birleştirilirse, ortaya çıkan kompozit partiküller fermiyonlar gibi davranacaktır, bu yüzden protonlar ve antiprotonlar olabilir. Ancak kuark ve antikuarkın (mezon olarak adlandırılır) bir kombinasyonu gibi çift sayıda fermiyondan oluşan parçacıklar bir bozon gibi davranacaktır. Örneğin, nötr pionun () antiparçacığı kendisidir.
Bunun nedeni çok basit: ± 1 / 2'lik bir dönüşle iki fermiyon eklediğinizde, dönüşü -1, 0 veya +1 olan bir parçacık elde edeceksiniz, yani bu bir bozon; üç eklerseniz Bu tür fermiyonların eklenmesi, -3/2, -1/2, +1/2 veya +3/2 spinleri olan parçacıklarla sonuçlanacak ve onları fermiyon haline getirecektir. Bu nedenle, parçacıklar ve antiparçacıklar arasındaki fark çok önemlidir. Ancak ikinci, daha önemli bir fark var.
Oksijen atomlarının elektron dizilimi. Elektronlar bozon değil fermiyon olduğundan, hepsi temel durumda (1s) olamaz. (Resim kaynağı: CK-12 Vakfı ve Wikimedia Commons Adrignola)
Yani Pauli dışlama ilkesi yalnızca fermiyonlar için geçerlidir ve bozonlar bu ilkeye uymaz. Uyumsuzluk ilkesine göre, herhangi bir kuantum sisteminde, İki fermiyon aynı kuantum durumunu işgal edemez . Ancak bozonların böyle bir sınırlaması yoktur. Bir atom çekirdeğini aldığınızı ve ona elektron eklemeye başladığınızı hayal edin İlk elektron temel durumu (en düşük enerji durumu) işgal etme eğilimindedir. Spin = 1/2 olan bir parçacık olduğundan, elektronun spin durumu +1/2 veya -1/2 olabilir. İkinci bir elektron eklenirse, yine de temel durumu işgal edecek, ancak ters dönüş durumuna sahip olacaktır. Peki daha fazla elektron eklenirse ne olacak? Temel duruma girmeyecekler (yukarıda: 1s), ancak bir sonraki enerji seviyesini dolduracaklar.
Elektronlar Pauli'nin uyumsuzluk ilkesine uyduğundan, atomlar organik moleküller ve biyolojik süreçler dahil olmak üzere moleküller üretmek için bağlanabilir. (Resim kaynağı: Jenny Mottar)
Periyodik tablonun bu kadar düzenlenmiş olmasının nedeni budur. Elementlerin farklı fiziksel ve kimyasal özelliklere sahip olması ve karmaşık kimyayı ve yaşamı mümkün kılan çeşitli moleküler yapılar oluşturabilmesi Pauli'nin uyumsuzluk ilkesinden kaynaklanmaktadır.
Rubidyum atomlarının Bose-Einstein yoğunlaşmasını oluşturduğu süreç. Kırmızı, daha az yoğunlaşmaya sahip alanları, beyaz ise çok yoğun alanları temsil eder. (Resim kaynağı: NIST / JILA / CU-Boulder)
Öte yandan, bozonlar aynı anda aynı kuantum durumunu paylaşabilir. Bu, adı verilen özel bir madde durumunun yaratılmasına izin verir. Bose-Einstein Yoğunlaşması . Bozonları çok düşük bir sıcaklığa soğutun ve hepsi en düşük enerjiyle kuantum halinde toplanacak. Helyum (çift sayıda fermiyondan oluşur ve bu nedenle bir bozon gibi davranır) yeterince düşük bir sıcaklığa soğutulduğunda, Bose-Einstein yoğunlaşmasının bir sonucu olarak bir süper akışkan oluşturacaktır. O zamandan beri, bilim adamları Bose-Einstein'ın gazların, moleküllerin, kuasipartiküllerin ve fotonların yoğunlaşmasını yarattılar. Bugün bu alandaki araştırmalar hala çok aktif.
Fermiyonlar yalnız olmayı ve bir odada yalnız yaşamayı severken, Bozonlar bir odayı paylaşmayı sever. (Resim kaynağı: CERN)
Aslında tam da elektronlar fermiyonlar olduğu için beyaz cüceler kendi kütleçekimleri altında çökmeyecekler; aynı zamanda nötronlar fermiyonlar oldukları için nötron yıldızlarının kara delikler oluşturmak için çökmesini engelliyorlar.
Beyaz bir cüce yıldızı, bir nötron yıldızı ve hatta garip bir kuark yıldızı fermiyonlardan oluşur. Pauli'nin dejenere baskısı, kendi çekim kuvvetine direndi ve kara deliklerin oluşmasını engelledi. (Resim kaynağı: CXC / M. Weiss)
Madde ve antimadde yok olduğunda veya bozunduğunda, parçacıkların Fermi-Dirac istatistiklerine (fermiyonlar tarafından uyulan istatistiksel yasalar) veya Bose-Einstein istatistiklerine (bozonlar) uyup uymadığına bağlı olarak sistemi değişen derecelerde ısıtırlar. İstatistik yasasına uyun). Bu nedenle bugün mikrodalga fon radyasyonunun sıcaklığı 2.73 Kelvin iken, kozmik nötrino fon radyasyonunun sıcaklığı ondan 0.8 Kelvin daha düşüktür.
Fermiyonlar ve bozonlar, dönüşte yalnızca bir tam sayı ile yarım tam sayı arasında bir farka sahip gibi görünmektedir, ancak sonuç, farklı kuantum kurallarına uymalarıdır ki bu çok önemlidir.
Fermiyonların ve bozonların farkını ve önemini anladıktan sonra, nihayet başlık sorusuna cevap verebilirsiniz.Yanıt aşağıdaki şekilde bulunabilir:
Mavi, temel fermiyonu (fermiyon), yeşil, temel bozonu (bozonu), kırmızı ise bileşik parçacıkları temsil eder. (Resim kaynağı: Sean Carroll)
