Bosone

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In fisica quantistica i bosoni, così chiamati in onore del fisico indiano Satyendra Nath Bose, sono una delle due classi fondamentali in cui si dividono le particelle: i bosoni e i fermioni. I bosoni si distinguono dai fermioni per il fatto che mentre questi ultimi obbediscono al principio di esclusione di Pauli:

un singolo stato quantico non può essere occupato da più di un fermione,

i bosoni sono invece al contrario liberi di affollare in gran numero uno stesso stato quantico.

[modifica] Bosoni e simmetria

La proprietà di obbedire o meno al principio di esclusione di Pauli si traduce matematicamente nel fatto che i bosoni seguono la statistica di Bose-Einstein mentre i fermioni la statistica di Fermi-Dirac. Le conseguenze sono che bosoni e fermioni presentano proprietà diverse di simmetria sotto lo scambio di due particelle: un sistema composto di particelle identiche della classe bosonica si trova sempre in uno stato globale completamente simmetrico sotto lo scambio di due particelle. Un sistema composto di fermioni identici, al contrario, si trova sempre in uno stato anti-simmetrico sotto lo scambio di due fermioni.

[modifica] Spin dei bosoni

Esiste un teorema, il teorema spin-statistica che lega lo spin delle particelle alla statistica alla quale esse devono obbedire. La tesi del teorema enuncia che particelle a spin intero sono necessariamente bosoni mentre quelle a spin semi-intero sono necessariamente fermioni.

[modifica] I bosoni nella fisica subnucleare

In fisica nucleare, subnucleare o delle particelle elementari sono bosoni si distinguono in bosoni intermedi e in mesoni, e questi ultimi si ritiene che non siano particelle elementari. Un mesone è infatti costituito da una coppia di particelle elementari: un quark e un antiquark. I bosoni si distinguono in base al loro spin in: bosoni pseudoscalari (con spin 0) ed energia più bassa, quando quark e antiquark hanno spin opposto, e in bosoni vettore (spin 1), dove quark e antiquark hanno spin parallelo. Entrambi si presentano in versioni a più alta energia, dove lo spin è aumentato dal momento angolare orbitale.

Particelle composte da un insieme di molte altre particelle (come i protoni o i nuclei atomici) possono comportarsi come fermioni o bosoni, dipendentemente dal loro spin totale: di conseguenza, molti nuclei atomici sono di fatto bosoni.

Le quattro forze fondamentali della natura sono mediate da bosoni elementari. Ovverosia l'effetto della forza viene spiegato come dovuto allo scambio fra due corpi di bosoni mediatori della forza. I bosoni responsabili della quattro forze fondamentali sono:

l'elettromagnetismo è mediato dai fotoni, bosoni di spin pari a 1 senza carica ne massa a riposo;
la forza nucleare debole è mediata dai bosoni W e Z, di spin pari ad 1, la cui carica è unitaria per i W (+1 o -1) mentre i Z sono privi di carica. I W possiedono massa a riposo di 81 GeV mentre il bosone Z ha una massa a riposo di 93 GeV.
la forza nucleare forte è mediata dai gluoni, bosoni di spin pari a 1 senza carica ne massa a riposo;
la gravità è mediata da gravitoni, bosoni di spin pari a 2 la cui carica e massa a riposo sono nulle;

È stata osservata l'esistenza solo di fotoni, W e Z. Gluoni e gravitoni sono solamente stati ipotizzati da teorie quali il modello standard.

[modifica] I bosoni nella fisica della materia

Esempi di bosoni in fisica della materia sono:

gli atomi di elio liquido
le coppie di Cooper
i fononi
gli eccitoni

La caratteristica dei bosoni prevista dalla statistica di Bose-Einstein, di potersi trovare numerosi in uno stesso stato quantistico conduce alla manifestazione di fenomeni eclatanti quali la condensazione di Bose-Einstein. Un condensato di Bose-Einstein è un particolare stato della materia in cui tutte le particelle sono confinate nel medesimo stato quantistico. Fenomeni legati a questa proprietà si manifestano nella materia come alcuni fenomeni quali la superfluidità dell'isotopo 4 dell'elio, la perfetta conduttività dei superconduttori.