Differenza tra fermioni e bosoni

Differenza principale - Fermions vs Boson

In fisica, le particelle sono classificate in due gruppi in base alle loro proprietà. Sono conosciuti come fermioni e bosoni. I fermioni fanno girare metà delle particelle e obbediscono al principio di esclusione di Pauli. Ma i bosoni sono particelle di spin interi che non obbediscono al Principio di esclusione di Pauli. Nel modello standard, i fermioni sono le particelle fondamentali della materia. I bosoni, d'altra parte, sono considerati i vettori della forza. I nuclei con un numero dispari di nucleoni sono fermioni compositi mentre i nuclei con un numero pari di nucleoni sono bosoni compositi. Le proprietà dei fermioni e dei bosoni sono molto diverse specialmente a temperature vicine allo zero assoluto. Questo articolo si concentra principalmente sulla differenza tra fermioni e bosoni.

Cosa sono i fermioni

I fermioni sono particelle di mezzo intero e descritte dalle statistiche di Fermi-Dirac. Obbediscono al principio di esclusione di Pauli. Quindi, due fermioni identici non occupano lo stesso stato quantico simultaneamente.

Fondamentalmente, i fermioni possono essere classificati in due gruppi: fermioni elementari e compositi. Fermioni elementari sono leptoni (elettrone, neutrino di elettroni, muone, neutrino di muoni, tau e neutrino di tau) e quark (su, giù, in alto, in basso, strano e affascinante). Hadron (neutroni, protoni) contenenti un numero dispari di quark e nuclei composti da un numero dispari di nucleoni (Es:  nuclei contengono sei protoni e sette neutroni) sono considerati fermioni compositi. Inoltre, atomi come He-3 (contengono due protoni, un neutrone e due elettroni) sono anche fermioni compositi.

I fermioni elementari sono i mattoni fondamentali della materia e dell'antimateria.

Cosa sono i Bosoni

I bosoni sono particelle identiche che hanno spin zero o interi. I bosoni possono essere classificati in due gruppi: bosoni elementari e bosoni compositi. A differenza dei fermioni, i bosoni non obbediscono al Principio di esclusione di Pauli. In altre parole, qualsiasi numero di bosoni può occupare lo stesso stato quantico. I comportamenti dei bosoni sono descritti dalle statistiche di Bose-Einstein. Il modello standard comprende solo cinque bosoni elementari. Sono cioè il bosone di Higgs, gluone, fotone, Z e  bosoni. Il bosone di Higgs hanno zero cariche elettriche e zero spin è l'unico bosone scalare. Gli ultimi quattro bosoni sono noti come bosoni di gauge o forza i portatori poiché sono responsabili delle interazioni fondamentali. Il gluon è responsabile della forte interazione che appare tra le particelle fatte di quark. Fotone è il bosone di gauge più familiare ed è responsabile delle interazioni elettromagnetiche. Z e  portare l'interazione debole. Inoltre, la particella mediatrice chiamata graviton è responsabile dell'interazione gravitazionale. Tuttavia, il modello standard non include il gravitone. Le interazioni fondamentali associate ai bosoni di gauge sono descritte dalla teoria del gauge. 

Gli spin e le cariche elettriche dei bosoni elementari sono mostrati nella seguente tabella.

Boson	Rotazione	Carica	Interazione
Z	1	0	Debole
W-,W+	1	-, +	Debole
Fotone	1	0	Elettromagnetico
gluone	1	0	Forte
Graviton	2	0	di gravitazione
Higgs	0	0	Massa

Le particelle composte; mesoni (contengono un quark e un antiquark) e i nuclei del numero di massa pari (He-4) sono bosoni compositi. Inoltre, alcune semi-particelle come coppie di cooper e fononi sono considerate anche bosoni.

I comportamenti o le proprietà dei bosoni a basse temperature differiscono significativamente da quelli dei fermioni. A temperature molto basse, la maggior parte dei bosoni occupa lo stesso stato quantico. Quindi un gas di bosoni può essere raffreddato a temperature molto vicine allo zero assoluto, dove quasi tutte le particelle occupano lo stato di energia più basso. In questa fase, l'energia cinetica del gas è trascurabile. Questo fenomeno fisico è noto come Condensazione di Bose-Einstein. La superfluidità dei gas dei bosoni è una conseguenza della condensazione di Bose-Einstein.

Differenza tra fermioni e bosoni

Rotazione

fermioni: I fermioni hanno spin semi-intero.

bosoni: I Boon hanno spin integrale.

Principio di esclusione di Pauli:

fermioni: I fermioni obbediscono al principio di esclusione di Pauli.

bosoni: I bosoni non obbediscono al principio di esclusione di Pauli.

Esempi:

fermioni: Gli esempi includono quark (fascino), leptoni (elettrone).

bosoni: Gli esempi includono H⁰, Gravitone, fotone, gluone, Z, .

Statistiche:

fermioni: Le proprietà dei fermioni sono descritte dalle statistiche di Fermi-Dirac.

bosoni: Le proprietà dei bosoni sono descritte dalle statistiche di Bose-Einstein.

Carica elettrica delle particelle elementari:

fermioni: Elettrone, muone e tau sono leptoni carichi elettricamente. Ma i loro neutrini non hanno carica elettrica. Le particelle di quark hanno cariche elettriche frazionali.

bosoni: I bosoni elementari non hanno carica elettrica (eccetto bosoni W).

Nuclei compositi:

fermioni: I fermioni contengono un numero dispari di nucleoni.

bosoni: I bosoni contengono un numero pari di nucleoni.