Boson là gì? Hiểu rõ về Boson chi tiết nhất

Hình minh họa hai boson được tạo ra khi hai proton va chạm.

Hình minh họa hai boson được tạo ra bởi hai proton va chạm.

Boson là các hạt mang năng lượng và lực khắp vũ trụ.

Mô hình tiêu chuẩn của vật lý hạt – lý thuyết chắc chắn nhất mà chúng ta có về thế giới tiểu nguyên tử – chia mọi hạt trong vũ trụ và thậm chí các hạt composite lớn hơn cũng phù hợp với hai loại lớn; fermion và boson.

Các fermion như quark, điện tửneutrino, proton và neutron là nền tảng của vật chất, trong khi một loại boson, các boson đo, chịu trách nhiệm đóng vai trò là ‘chất mang’ của ít nhất ba trong số bốn lực lượng cơ bản– Lực điện từ, lực hạt nhân mạnh và lực hạt nhân yếu. Điều đó có nghĩa là các fermion tương tác với nhau thông qua việc trao đổi các boson đo.

Cũng có thể có một boson để thực hiện lực lượng Trọng lực , nhưng điều đó hiện không chắc chắn. Các boson đo là các hạt cơ bản – có nghĩa là chúng không bao gồm các hạt nhỏ hơn – nhưng có những boson khác bao gồm các hạt nhỏ hơn.

Robert Lea có bằng cử nhân khoa học vật lý và thiên văn học tại Đại học Mở của Vương quốc Anh. Robert đã đóng góp cho Space.com trong hơn một thập kỷ và công việc của anh ấy đã xuất hiện trên Thế giới Vật lý, Nhà khoa học Mới, Tạp chí Thiên văn học, Tất cả về Không gian và hơn thế nữa.

Bosons: Điều gì làm cho một hạt trở thành boson?

Boson lấy tên từ nhà vật lý Ấn Độ Satyendra Nath Bose, người đã tiến hành nghiên cứu quan trọng vào những năm 1920 liên quan đến hành vi của boson nổi tiếng nhất – photon.

Một trong những đặc điểm xác định chính của boson liên quan đến chất lượng cơ lượng tử được gọi là ‘spin’, có thể được coi là độ lệch của một hạt khi nó trải qua một từ trường truyền động lượng góc.

Mặc dù tương tự, spin phức tạp hơn momen động lượng trong thế giới vĩ mô của vật lý cổ điển, chủ yếu là do các hạt có thể có các phần nhỏ của spin, nghĩa là không có cách mô tả spin ‘cổ điển’ thực sự.

Fermion là một hạt có 1/2 spin có thể có giá trị cộng hoặc trừ. Điều này có nghĩa là các fermion có thể có các giá trị như 1/2, -1/2, 3/2 và -3/2. Cộng hoặc trừ xác định hướng của mô men động lượng nội tại của hạt sẽ nhận.

Bởi vì các boson không tuân theo nguyên tắc loại trừ Pauli nên chúng có thể tự do chiếm giữ các số lượng tử giống nhau, không giống như các fermion ‘phi xã hội’. Đường đứt nét màu đỏ thể hiện sự hình thành các chất ngưng tụ Bose-Einstein. (Tín dụng hình ảnh: Robert Lea)

(mở trong tab mới)

Mặt khác, các dấu hiệu có các vòng quay số nguyên bao gồm cả số không. Điều này có nghĩa là các giá trị spin mà các hạt này có thể nhận là 0, 1, -1, 2, -2, v.v.

Về mặt toán học, cộng hai nửa với nhau sẽ tạo ra một số nguyên và theo cách tương tự, kết hợp các số fermion chẵn sẽ tạo ra một hạt lớn hơn là boson.

Chúng bao gồm các meson – hình thành khi hai quark liên kết – và thậm chí các nguyên tử với số fermion chẵn. Ví dụ, nguyên tử heli-4 là boson vì chúng bao gồm hai proton, hai neutron và hai electron. Nguyên tử Helium-4 sẽ có liên quan đặc biệt khi nghĩ về các tính chất đặc biệt và duy nhất của boson.

Các boson khác nhau là gì?

Boson có thể được chia theo một số cách, nhưng để giới thiệu các hạt khác nhau tạo nên cánh này của ‘vườn thú hạt’, thật tiện lợi khi sắp xếp chúng thành hai nhóm thô – những hạt chúng ta có bằng chứng thực nghiệm và những hạt hiện chỉ là lý thuyết .

Bosons đã khám phá

Photon

Một cách dễ dàng, boson đo nổi tiếng nhất là photon, hạt cấu thành của ánh sáng và là chất trung gian của lực điện từ.

Đối với các photon – có spin là 1 – spin là tương đương cơ học lượng tử của sự phân cực, hoặc hướng mà sóng ánh sáng được định hướng. Điều này có nghĩa là spin của photon có thể song song hoặc ngược song song trong định hướng.

Các photon là boson đo đầu tiên được phát hiện khi vào đầu thế kỷ 20 Max Planck và Albert Einstein ánh sáng gợi ý tồn tại trong các gói năng lượng được gọi là ‘lượng tử.’ Tên ‘photon’ đã được giới thiệu cho các lượng tử này vào năm 1928 bởi nhà hóa học người Mỹ Gilbert Lewis.

Các boson đo có nhiệm vụ mang các lực cơ bản của vũ trụ. (Tín dụng hình ảnh: Robert Lea)

(mở trong tab mới)

Gluons

Gluons, boson đo thứ hai được phát hiện, là boson mang lực hạt nhân mạnh. Kết quả là chúng có nhiệm vụ ‘dính’ các hạt khác lại với nhau.

Cụ thể, các gluon liên kết các quark với nhau để tạo ra proton và neutron. Nhưng gluon không dừng lại ở đó: Chúng còn liên kết các hạt tổng hợp này – gọi chung là ‘nucleon’ – lại với nhau trong hạt nhân nguyên tử ở trung tâm của mọi vật chất hàng ngày.

Gluon được phát hiện tại máy va chạm electron-positron PETRA của DESY, Đức, vào năm 1979.

Các Boson W và Z

Các boson W và Z là các boson đo chịu trách nhiệm mang lực hạt nhân yếu – mạnh hơn lực hấp dẫn nhưng chỉ hiệu quả trong phạm vi cực kỳ ngắn. Các boson 0 spin này chịu trách nhiệm cho sự phân rã hạt nhân, trong đó một nguyên tố biến đổi thành nguyên tố khác bằng cách giúp các proton chuyển thành neutron và ngược lại.

Một trong những vấn đề lớn đối với boson W và Z, được tìm thấy vào năm 1983, là tìm ra cách chúng có khối lượng, vì các lý thuyết vào thời điểm đó cho rằng chúng nên không có khối lượng giống như photon.

Hạt Higgs

Các Higgs boson lần đầu tiên được đưa vào mô hình tiêu chuẩn của vật lý hạt để giải thích cách các boson W và Z có khối lượng, nhưng vai trò cấp khối lượng của nó với tư cách là người điều khiển trường Higgs đã sớm được mở rộng cho hầu hết các hạt.

Boson Higgs được phát hiện vào năm 2012 nổi lên từ các vụ va chạm proton-proton năng lượng cao tại Máy va chạm Hadron lớn(LHC) – máy gia tốc hạt mạnh nhất thế giới.

Hạt Higgs có spin đề xuất là 0 và khám phá của nó được cho là đã hoàn thành mô hình chuẩn, nhưng vẫn còn vật lý bên ngoài mô hình này để khám phá. Việc khám phá vật lý ngoài mô hình tiêu chuẩn có nghĩa là có những boson lý thuyết khác để khám phá.

Bởi vì các boson không tuân theo nguyên tắc loại trừ Pauli nên chúng có thể tự do chiếm giữ các số lượng tử giống nhau, không giống như các fermion ‘phi xã hội’. Đường đứt nét màu đỏ thể hiện sự hình thành các chất ngưng tụ Bose-Einstein. (Tín dụng hình ảnh: CERN)

Bosons lý thuyết

Gravitons

Một điều mà khuôn khổ của mô hình tiêu chuẩn của vật lý hạt không thể mô tả là lực hấp dẫn. Đó là bởi vì cơ học lượng tử – vật lý của hạ nguyên tử – và thuyết tương đối rộngThuyết hấp dẫn của Einstein, đừng chia lưới.

Các lực cơ bản khác cần một boson đo để mang chúng (và lực yếu thậm chí nhận được hai) vậy tại sao lại không có trọng lực? Một boson đo lực hấp dẫn – ‘graviton’ – đã được lý thuyết hóa nhưng cho đến nay vẫn chưa thể hiện bằng thực nghiệm.

Bởi vì lực hấp dẫn là không đáng kể ở cấp độ dưới nguyên tử, việc thiếu graviton và thiếu ‘thuyết lượng tử về lực hấp dẫn’ đã không cản trở mô hình này quá nhiều.

Boson siêu đối tác

Một mô hình vật lý tiềm năng ngoài mô hình tiêu chuẩn là ‘siêu đối xứng’. Lý thuyết này – được đề xuất để ‘cố định’ khối lượng của boson Higgs – gợi ý rằng mọi fermion trong vườn thú hạt đều có một đối tác bosonic.

Các hạt phụ sẽ giúp ‘loại bỏ’ một số khối lượng của boson Higgs, giải thích tại sao nó tương đối nhẹ.

Bosons: Các hạt ‘hòa đồng’

Nhờ một hiện tượng được gọi là nguyên lý loại trừ Pauli, các fermion spin bán nguyên không có khả năng sở hữu các số lượng tử giống nhau. Điều này có nghĩa là các fermion không có khả năng kết hợp với nhau.

Boson, tuy nhiên, với các vòng quay số nguyên đầy đủ của chúng, không tuân theo nguyên tắc loại trừ Pauli. Điều này có nghĩa là chúng có thể nhóm chặt chẽ với nhau tạo ra một số tính chất vật lý độc đáo.

Ví dụ phổ biến nhất về ‘boson xã hội’ là ánh sáng laze, bao gồm các photon có cùng bước sóng và tần số, tất cả đều chuyển động theo cùng một hướng.

Chùm tia laze bao gồm các photon, một loại boson. (Tín dụng hình ảnh: Wladimir Bulgar / Getty Images)

Một ví dụ kỳ lạ hơn về việc các boson bất chấp nguyên lý loại trừ Pauli được đề xuất vào năm 1924. Albert Einstein và Bose đã xác định rằng các boson nên ngưng tụ lại với nhau ở trạng thái cơ bản – trạng thái có năng lượng thấp nhất có thể của chúng – dẫn đến sự ngưng tụ Bose-Einstein, tạo ra chất siêu lỏng trong helium lỏng được làm lạnh đến 2,17 K và do đó năng lượng của nó thấp nhất có thể.

Các điện tử được ghép nối – được gọi là ‘cặp Cooper’ – được xếp vào loại ‘bán hạt’ và có thể bị ép buộc hoạt động như boson, ngưng tụ thành trạng thái không có điện trở. Việc tạo ra sự ngưng tụ Bose-Einstein trong khí loãng của các nguyên tử kiềm sẽ giành được giải Nobel Vật lý cho ba nhà nghiên cứu vào năm 2001 (mở trong tab mới).