Boson

Bosonen (benannt nach dem indischen Physiker Satyendranath Bose) sind Teilchen im physikalischen Sinn, die einen ganzzahligen Spin besitzen. Hierzu gehören unter den Elementarteilchen die Eichbosonen, unter den zusammengesetzten Teilchen alle Atomkerne mit gerader Nukleonenzahl (z. B. der Kern des schweren Wasserstoffs (Deuterium), der aus zwei Fermionen besteht: einem Proton und einem Neutron). Die Besetzungs-Statistik für Bosonen ist die Bose-Einstein-Statistik. Bosonen grenzen sich ab von den Fermionen, die einen halbzahligen Spin besitzen. Ein Elementarteilchen ist immer entweder ein Boson oder ein Fermion.

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Eine besondere Eigenschaft dieser Teilchenart ist, dass sich bei Vertauschung zweier gleicher Bosonen die quantenmechanische Wellenfunktion nicht ändert, im Gegensatz zu den Fermionen, bei denen sich in diesem Fall das Vorzeichen der Wellenfunktion ändert. Warum dies bei allen Teilchen mit ganzzahligem Spin so ist, kann von der theoretischen Physik nur auf relativ kompliziertem Weg (siehe Spin-Statistik-Theorem) begründet werden.

Eine Konsequenz ist, dass sich mehrere gleichartige Bosonen zur gleichen Zeit am gleichen Ort (innerhalb der Unschärferelation) befinden können. Die Teilchen nehmen dann den gleichen Quantenzustand ein und streben diesen Zustand sogar an. Dies ermöglicht, dass Bosonen makroskopische Quantenzustände bilden können. Beispiele hierfür sind das Bose-Einstein-Kondensat (z. B. Rubidium), der Laser (Photonen), die Supraleitung (Elektronenpaare) und Suprafluidität (Helium).

Die Elementarteilchen, die die vier Grundkräfte übermitteln, sind die Eichbosonen.

• Für die starke Wechselwirkung die Gluonen
• Für die schwache Wechselwirkung die W-Bosonen und das Z-Boson
• Für den Elektromagnetismus das Photon
• Für die Gravitation das (hypothetische) Graviton

Im Standardmodell der Teilchenphysik kommt das Graviton nicht vor. Stattdessen ist derzeit das Higgs-Boson als Vermittlerteilchen für die Masse aller Teilchen Gegenstand der Forschung. Es ist jedoch nicht Überträger einer Kraft im Sinne der vier Grundkräfte.

In dem um die Supersymmetrie erweiterten Modell der Elementarteilchen existieren noch weitere elementare Bosonen. Dabei wird zu jedem Fermion ein Boson als Partnerteilchen postuliert. Diese werden durch ein zusätzliches S im Namen benannt, so heißt dann z. B. das entsprechende Boson zum Elektron dann Selektron. Jedoch wurde bisher keines der postulierten supersymmetrischen Partnerteilchen experimentell nachgewiesen. Sie müssen demnach eine sehr hohe Masse haben, so dass sie unter normalen Bedingungen nicht entstehen. Man hofft, dass die neue Generation der Teilchenbeschleuniger zumindest einige dieser Bosonen nachweisen kann. (Es sprechen Anzeichen dafür, dass das LSP, das leichteste supersymmetrische Teilchen, im Bereich einiger hundert GeV liegt.)

Spin

Bosonen werden je nach Spin verschieden bezeichnet. Grundlage dieser Bezeichnung ist ihr Transformationsverhalten unter eigentlich orthochronen Lorentztransformationen. Die Bezeichnungen lauten:

• Spin 0: Skalar, Skalares Boson, Skalarteilchen. Beispiele hierfür sind die Pionen und das postulierte Higgs-Feld.
• Spin 1: Vektorboson. Ein Beispiel hierfür sind die Eichbosonen des Standardmodells.
• Spin 2: Tensor, Tensorboson, symmetrischer Tensor zweiter Stufe. Ein Beispiel hierfür ist das postulierte Graviton.

Bosonen mit größerem Spin sind physikalisch nicht so relevant, da sie nur als zusammengesetzte Teilchen auftreten. Sie werden daher üblicherweise nicht nach diesem System benannt. Sie müssten jedoch als Tensoren höherer Stufen bezeichnet werden.

Siehe auch

• Quantenstatistik
• Standardmodell der Teilchenphysik