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2024-12-05T13:16:38Z

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{{Begriffsklärungshinweis|Zur schwedischen Handballspielerin siehe [[Matilda Boson]]}}
[[Datei:Standard Model of Elementary Particles-de.svg|mini|[[Standardmodell]] mit den [[Eichboson]]en (rot) und den [[Skalar (Physik)|Skalar]]<nowiki />bosonen (gelb)]]

'''Bosonen''' (nach dem indischen Physiker [[Satyendranath Bose]]) sind alle [[Teilchen]], die sich gemäß der [[Bose-Einstein-Statistik]] verhalten, in der u. a. mehrere [[ununterscheidbare Teilchen]] den gleichen Zustand einnehmen können. Dem [[Spin-Statistik-Theorem]] zufolge haben sie einen ganzzahligen Eigendrehimpuls ([[Spin]]) in Einheiten der [[Reduzierte Planck-Konstante|reduzierten Planck-Konstante]] {{nowrap|1=<math>\hbar</math>.}} Daran kann man sie unterscheiden von den [[Fermion]]en mit halbzahligem Spin und den [[Anyon]]en mit beliebigem (auch gebrochenzahligem) Spin; beide Typen haben damit einhergehend andere statistische Eigenschaften.

Im [[Standardmodell]] der [[Teilchenphysik]] sind die [[Austauschteilchen]], die die Kräfte zwischen den Fermionen vermitteln, elementare Bosonen mit einem Spin von 1, wie z. B. das [[Photon]] als Überträger der [[Elektromagnetische Wechselwirkung|elektromagnetischen Kraft]]. Auch das hypothetische [[Graviton]] als Träger der [[Gravitation]] ist ein Boson, allerdings mit einem Spin von 2. Darüber hinaus existiert mit dem [[Higgs-Boson]] im Standardmodell ein Boson mit einem Spin von 0.

Andere Bosonen sind aus mehreren Teilchen zusammengesetzt wie z. B. die [[Cooper-Paar]]e aus [[Elektron]]en und [[Phonon]]en als Ladungsträger im [[Supraleiter]], [[Atomkern]]e mit einer geraden [[Nukleon]]enzahl oder die [[Meson]]en, also subatomare [[Quark (Physik)|Quark-Antiquark]]-Paare. Des Weiteren können auch [[Quasiteilchen]] bosonische Eigenschaften zeigen, wie die bereits erwähnten Phononen oder die [[Spinon]]en.

== {{Anker|Spin}}Einteilung nach dem Spin ==
Die elementaren Bosonen werden je nach Spin verschieden bezeichnet. Grundlage dieser Bezeichnung ist ihr Transformationsverhalten unter den [[Lorentz-Gruppe|„eigentlichen orthochronen Lorentz-Transformationen“]]. Elementarteilchen können, außer in einer nichtlokalen oder einer [[Stringtheorie]], maximal einen Spin von 2 aufweisen, denn masselose Teilchen unterliegen dem [[Low-Energy-Theorem]]<ref>{{Literatur |Autor=Steven Weinberg |Titel=Photons and Gravitons in S-Matrix Theory: Derivation of Charge Conservation and Equality of Gravitational and Inertial Mass |Sammelwerk=Phys. Rev. |Band=135 |Nummer=4B |Datum= |Seiten=B1049–B1056 |Sprache=en |DOI=10.1103/PhysRev.135.B1049}}</ref>, das die Kopplung von hohen Spins an Ströme anderen Spins ausschließt, sowie einem Verbot für Selbstwechselwirkungen<ref>{{Literatur |Autor=Paolo Benincasa und Eduardo Conde |Titel=Exploring the S-matrix of Massless Particles |Sammelwerk=Phys. Rev. D |Band=86 |Nummer=2 |Datum=2012 |Sprache=en |DOI=10.1103/PhysRevD.86.025007}}</ref> und für massive Teilchen wurde die generelle Nichtexistenz 2017 gezeigt.<ref>{{Literatur |Autor=Nima Arkani-Hamed et al. |Titel=Scattering Amplitudes For All Masses And Spins |Datum=2017 |Sprache=en |arXiv=1709.04891}}</ref> Bosonen mit höherem Spin sind daher physikalisch weniger relevant, da sie nur als zusammengesetzte Teilchen auftreten.

{| class="wikitable"
|-
! rowspan="2"|[[Spin]]!!rowspan="2"|Bosontyp!!colspan="2"|Vertreter
|-
! elementar !! zusammengesetzt
|-
| 0 || [[Skalar (Physik)|Skalar]]<nowiki />boson || [[Higgs-Boson]] || [[Pion]]en, [[Alphastrahlung|Alphateilchen]]
|-
| 1 || [[Vektor]]<nowiki />boson || [[Photon]], [[W-Boson]]en, [[Z-Boson]], [[Gluon]]en || [[J/ψ-Meson]], [[Stickstoff|14N]]-Kern
|-
| 2 || [[Tensor]]<nowiki />boson || [[Graviton]] (hypothetisch) || [[Chlor#36Cl|36Cl]]-Kern, [[Cobalt#Isotope|60Co]]-Kern
|-
|3 || style="text-align:center" | – || style="text-align:center" | – || [[Bor|10B]]-Kern
|}

== Makroskopische Quantenzustände ==
Eine besondere Eigenschaft der Bosonen ist, dass sich bei Vertauschung zweier gleicher Bosonen die [[Quantenmechanik|quantenmechanische]] [[Wellenfunktion]] nicht ändert ([[Zustand (Quantenmechanik) #Phasenfaktor und Superposition|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 [[Parität (Physik)#Paritätsoperator und Eigenwerte|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; man spricht dann von einem [[Bose-Einstein-Kondensat]]. Mehrere Bosonen nehmen dann den gleichen [[Quantenzustand]] ein, sie bilden [[Makroskopischer Quantenzustand|makroskopische Quantenzustände]]. Beispiele sind:
* die [[Supraleitung]], die durch bosonische [[Cooper-Paar]]e beschrieben wird,
* der [[Laser]], bei dem Photonen denselben Zustand einnehmen,
* die [[Suprafluidität]], bei der bosonisches 4[[Helium|He]] oder 6[[Lithium|Li]] kondensieren, oder bosonische Paare des [[fermion]]ischen 3He.

== 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 den Eigenschaften (Spins) der Bestandteile verhält. Beispielsweise können zwei [[Helium#Isotope|Helium-4-Atome]] (Bosonen) nicht denselben 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 ==
In dem Modell der Elementarteilchen, das um die [[Supersymmetrie]] erweitert ist, existieren weitere elementare Bosonen. Auf jedes Fermion kommt rechnerisch ein Boson als [[Superpartner|supersymmetrisches Partnerteilchen]], ein so genanntes ''Sfermion'', so dass sich der Spin jeweils um ±½ 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 [[Linearkombination]]en 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 [[Minimales supersymmetrisches Standardmodell|minimale supersymmetrische Standardmodell]] (MSSM) im Unterschied zum Standardmodell (SM) mehrere bosonische [[Higgs-Feld]]er inklusive ihrer Superpartner.

Bisher wurde keines der [[Postulat|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 [[Leichtestes supersymmetrisches Teilchen|leichtesten supersymmetrischen Teilchens]] (LSP) im Bereich einiger hundert [[GeV]]/c² liegt.

== Weblinks ==
{{Commonscat|Bosons|Boson}}
{{Wiktionary|Boson}}
* {{Alpha Centauri|131}}
* {{Alpha Centauri|204}}

== Einzelnachweise ==
<references />

[[Kategorie:Boson| ]]
[[Kategorie:Quantenfeldtheorie]]
[[Kategorie:Satyendranath Bose]]

Boson - Versionsgeschichte

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