Cosa sono i fermioni e i bosoni?

Tutte le particelle fondamentali in natura possono essere divise in due categorie, bosoni e fermioni, a seconda del loro spin, in termini di meccanica quantistica. Le particelle fondamentali possono essere tutte distinte dal loro spin. Lo spin è una proprietà della meccanica quantistica che ha caratteristiche di momento angolare.

La differenza tra bosoni e fermioni

Cosa distingue i bosoni dai fermioni? I bosoni sono le particelle fondamentali che hanno spin in valori interi (0, 1, 2, ecc.). I fermioni, d’altro canto, hanno spin in valori dispari di semi-interi (1/2, 3/2 e 5/2, ma non 2/2 o 6/2). Lo spin può anche avere una direzione, simile a come particelle più grandi possono ruotare in senso orario o antiorario.

I bosoni includono fotoni (luce), gluoni (particelle che agiscono come trasportatori di forza nel nucleo), il bosone di Higgs e i bosoni W e Z. I fermioni includono protoni , neutroni , elettroni, neutrini e quark.

Interazioni delle particelle e proprietà quantistiche

Nel mondo della fisica delle particelle, le particelle possono combinarsi per creare nuove particelle. Ad esempio, due neutroni (ciascuno con spin 1/2) e due protoni (ciascuno con spin 1/2) possono combinarsi per creare un nucleo di elio, o una particella alfa.

In questo caso, gli spin si combinano (tramite addizione o sottrazione) per creare lo spin totale della particella composita. Lo spin può sommarsi o sottrarsi perché è un vettore, ha sia direzione che magnitudine. Nel nostro mondo normale, le cose possono ruotare in senso orario o antiorario. Nel mondo quantistico, gli scienziati si riferiscono allo spin “su” e “giù”. Nel caso di un nucleo di elio, lo spin totale è 0, rendendolo un bosone.

Una conseguenza della meccanica quantistica chiamata Principio di esclusione di Pauli stabilisce che due fermioni non possono occupare lo stesso stato quantico. In altre parole, fermioni identici come due elettroni non possono occupare la stessa posizione nello spazio con lo stesso numero quantico.

Non possono entrambi ruotare nella stessa direzione, ma possono ruotare in direzioni opposte. I bosoni, d’altra parte, sono esenti da questo principio. Questo significa che due bosoni possono occupare la stessa posizione nello spazio con lo stesso spin. Questo è vero anche per i bosoni compositi, come l’elio.

Diversi bosoni nello stesso stato quantico possono raccogliersi in quello che è noto come “Condensato di Bose-Einstein”. Questi condensati di Bose-Einstein possono essere trovati nell’elio superfluido e gli scienziati ritengono che esistano anche nelle stelle di neutroni.

Una classe di bosoni noti come bosoni di gauge agiscono come “trasportatori di forza” tra particelle. Questi includono il fotone (che trasporta la forza elettromagnetica), il gluone (che trasporta la forza nucleare forte) e i bosoni W e Z (che trasportano la forza nucleare debole). L’ipotetico gravitone, che trasporta la gravità, non è stato trovato.

I quark sono fermioni che si combinano per formare i fermioni compositi: protoni e neutroni. I condensati di bosoni possono avere proprietà superfluide, ovvero hanno viscosità zero e scorrono liberamente senza perdita di energia. Le stelle di neutroni possono avere nuclei superfluidi di condensati di bosoni. Alcuni quark e gluoni potrebbero avere uno spin preferito, grazie alla forza nucleare forte.

Conclusioni

Quasi ogni aspetto della ricerca dell’Office of Science si basa sulle proprietà dei bosoni e dei fermioni. Le proprietà dei nuclei atomici, dei plasmi di quark e gluoni, degli studi laser, della fusione e di una serie di altri studi si basano implicitamente sul fatto che le particelle fondamentali sono bosoni o fermioni.

Gli acceleratori di particelle in strutture come l’ATLAS e la Facility for Rare Isotope Beams studiano i nuclei atomici, che possono essere bosoni o fermioni compositi. Gli scienziati utilizzano il Relativistic Heavy Ion Collider (RHIC) presso il Brookhaven National Laboratory e il Continuous Electron Beam Accelerator Facility (CEBAF) presso il Thomas Jefferson National Accelerator Facility per studiare i bosoni noti come gluoni all’interno di protoni e neutroni, nonché i fermioni noti come quark. I ricercatori utilizzano la Long Baseline Neutrino Facility.