Все элементарные частицы в природе делятся на две группы: бозоны и фермионы. Их различие заключается в том, как они "вращаются" с точки зрения квантовой механики — у них разные спины. Спин — это квантовая характеристика, связанная с угловым моментом частицы.
Так в чем же разница между бозонами и фермионами? У бозонов спин выражен целыми числами (0, 1, 2 и т. д.), тогда как у фермионов — полуцелыми (1/2, 3/2, 5/2 и так далее). Спин также имеет направление, наподобие вращения по или против часовой стрелки. К бозонам относятся фотоны (свет), глюоны (переносчики силы в атомном ядре), бозон Хиггса и W- и Z-бозоны. Фермионы включают протоны, нейтроны, электроны, нейтрино и кварки.
Элементарные частицы могут объединяться, формируя новые. Например, два нейтрона и два протона (оба с полуцелым спином) могут образовать ядро гелия, в котором спины объединяются, создавая целочисленный итоговый спин. Спин — это векторная величина, а значит, он имеет и направление, и величину, как обычное вращение: по часовой стрелке или против. В квантовой механике направления спина описываются как "вверх" или "вниз". У ядра гелия суммарный спин равен 0, что делает его бозоном.
Согласно принципу исключения Паули, два фермиона не могут находиться в одном и том же квантовом состоянии одновременно. Например, два электрона не могут быть в одном месте с одинаковыми квантовыми числами и направлением спина. Они могут существовать вместе, только если их спины направлены противоположно. Бозоны не подчиняются этому правилу, и потому они могут делить одно и то же квантовое состояние. Это объясняет феномен конденсата Бозе-Эйнштейна — состояние, в котором много бозонов могут находиться в одном квантовом состоянии, как это происходит в сверхтекучем гелии. Также считается, что такие конденсаты могут существовать в нейтронных звездах.
Основные факты о бозонах и фермионах:
- Калибровочные бозоны (например, фотоны, глюоны и W- и Z-бозоны) служат "переносчиками силы" между частицами. Сюда также относится гипотетический гравитон — предполагаемый переносчик гравитации, который пока не был обнаружен.
- Кварки — это фермионы, которые объединяются в составные частицы, такие как протоны и нейтроны.
- Конденсаты бозонов могут демонстрировать сверхтекучесть, то есть способность течь без трения и потери энергии. Такие свойства могут быть у нейтронных звезд, где их ядра состоят из конденсатов бозонов.
- Некоторые кварки и глюоны могут иметь предпочтительное направление спина благодаря сильному взаимодействию.