Boson

Standardmodell mit den Eichbosonen (rot) und dem Higgs-Boson (gelb)

Bosonen (nach dem indischen Physiker Satyendranath Bose) sind alle Teilchen, die sich gemäß der Bose-Einstein-Statistik verhalten, in der z.B. alle Teilchen eines Ensembles den gleichen Zustand einnehmen können. Dem Spin-Statistik-Theorem zu Folge haben sie einen ganzzahligen Eigendrehimpuls (Spin) in Einheiten des Planckschen Wirkungsquantums . Daran kann man sie von den Fermionen und Anyonen unterscheiden, die eine gebrochenzahligen Spin aufweisen und andere statistische Eigenschaften haben.

Im Standardmodell der Teilchenphysik vermitteln Bosonen als Elementarteilchen die Kräfte zwischen den Fermionen, wie z.B. das Photon als Überträger der elektromagnetischen Kraft. Auch das Graviton als Träger der Gravitation ist ein Boson, sowie das Higgs-Boson, das den Teilchen ihre Masse verleiht. Andere Bosonen sind aus mehreren Teilchen zusammengesetzt wie z.B. die Cooper-Paare aus Elektronen und Phononen als Ladungsträger im Supraleiter, Atomkerne mit einer geraden Nukleonenzahl oder die Mesonen, das sind Quark-Antiquark-Paare.

Einteilung nach dem Spin

Bosonen werden je nach Spin verschieden bezeichnet. Grundlage dieser Bezeichnung ist ihr Transformationsverhalten unter eigentlich orthochronen Lorentz-Transformationen.

Spin	Bosontyp	Vertreter
0	Skalarboson	Pionen, Higgs-Boson des SM
1	Vektorboson	Eichbosonen (bspw. Photon)
2	Tensorboson / symmetrischer Tensor 2. Stufe	Graviton (hypothetisch)

Tensoren höherer Stufen (d.h. Bosonen mit einem Spin > 2) sind physikalisch weniger relevant, da sie nur als zusammengesetzte Teilchen auftreten.

Makroskopische Quantenzustände

Eine besondere Eigenschaft der Bosonen ist, dass sich bei Vertauschung zweier gleicher Bosonen die quantenmechanische Wellenfunktion nicht ändert (Phasenfaktor +1). Im Gegensatz dazu ändert sich bei einer Vertauschung zweier gleicher Fermionen das Vorzeichen der Wellenfunktion. Die Begründung für die Invarianz der Wellenfunktion bei Bosonen-Vertauschung erfolgt über das relativ komplizierte Spin-Statistik-Theorem. Anschaulich erhält man nach zweimaligem Vertauschen (d.h. einer Spiegelung bzw. Anwendung des Paritätsoperators) wieder den ursprünglichen Zustand; einmaliges Vertauschen kann also nur einen Faktor vom Betrag 1 erzeugen, der quadriert 1 ergibt – also entweder 1 oder -1 –, wobei die 1 den Bosonen entspricht.

Eine Konsequenz ist, dass sich gleichartige Bosonen zur selben Zeit am selben Ort (innerhalb der Unschärferelation) befinden können. Mehrere Bosonen nehmen dann den gleichen Quantenzustand ein, sie bilden makroskopische Quantenzustände. Beispiele sind:

Zusammengesetzte Teilchen

Fermionisches oder bosonisches Verhalten zusammengesetzter Teilchen kann nur aus größerer Entfernung (verglichen mit dem betrachteten System) beobachtet werden. Bei näherer Betrachtung (in einer Größenordnung, in der die Struktur der Komponenten relevant wird) zeigt sich, dass ein zusammengesetztes Teilchen sich entsprechend der Eigenschaften (Spins) der Bestandteile verhält. Beispielsweise können zwei Helium-4-Atome (Bosonen) nicht den gleichen Raum einnehmen, wenn der betrachtete Raum vergleichbar mit der inneren Struktur des Heliumatoms (~ 10⁻¹⁰ m) ist, da die Bestandteile des Helium-4-Atoms selbst Fermionen sind. Dadurch hat flüssiges Helium ebenso eine endliche Dichte wie eine gewöhnliche Flüssigkeit.

Supersymmetrische Bosonen

Im um die Supersymmetrie erweiterten Modell der Elementarteilchen existieren weitere elementare Bosonen. Auf jedes Fermion kommt rechnerisch ein Boson als supersymmetrisches Partnerteilchen, ein so genanntes Sfermion, so dass sich der Spin jeweils um ±1/2 unterscheidet. Die Superpartner der Fermionen werden allgemein durch ein zusätzliches vorangestelltes S- benannt, so heißt z.B. das entsprechende Boson zum Elektron dann Selektron.

Genau genommen wird zunächst im Wechselwirkungsbild jedem fermionischen Feld ein bosonisches Feld als Superpartner zugeordnet. Im Massebild ergeben sich die beobachtbaren oder vorhergesagten Teilchen jeweils als Linearkombinationen dieser Felder. Dabei muss die Zahl und der relative Anteil der zu den Mischungen beitragenden Komponenten auf der Seite der bosonischen Superpartner nicht mit den Verhältnissen auf der ursprünglichen fermionischen Seite übereinstimmen. Im einfachsten Fall (ohne oder mit nur geringer Mischung) kann jedoch einem Fermion (wie dem Elektron) ein bestimmtes Boson bzw. Sfermion (wie das Selektron) zugeordnet werden.

Darüber hinaus benötigt bereits das minimale supersymmetrische Standardmodell (MSSM) im Unterschied zum Standardmodell (SM) mehrere bosonische Higgs-Felder inklusive ihrer Superpartner.

Bisher wurde keines der postulierten supersymmetrischen Partnerteilchen experimentell nachgewiesen. Sie müssten demnach eine so hohe Masse haben, dass sie unter normalen Bedingungen nicht entstehen. Man hofft, dass die neue Generation der Teilchenbeschleuniger zumindest einige dieser Bosonen nachweisen kann. Anzeichen sprechen dafür, dass die Masse des leichtesten supersymmetrischen Teilchens (LSP) im Bereich einiger hundert GeV/c² liegt.

Basierend auf einem Artikel in:

Wikipedia.de