Tanya Ethan: Apa perbedaan antara fermion dan boson?

Partikel model standar, dengan massa ditunjukkan di sudut kiri atas. Tiga kolom kiri ditempati oleh fermion, dua kolom kanan boson

Di seluruh alam semesta, hanya ada dua jenis partikel fundamental: fermion dan boson. Setiap partikel, selain sifat yang biasa Anda ketahui, seperti muatan massa dan listrik, memiliki jumlah momentum sudut yang melekat, yang dikenal sebagai spin. Partikel dengan putaran setengah bilangan bulat (± 1/2, ± 3/2, ± 5/2, ..) dikenal sebagai fermion. Partikel dengan bilangan bulat integer (0, ± 1, ± 2, ..) adalah boson. Tidak ada partikel lain, fundamental atau komposit, di Semesta. Tapi mengapa itu penting? Pembaca kami bertanya:

Bisakah Anda menjelaskan perbedaan antara fermion dan boson? Apa yang berubah ketika pindah dari putaran penuh ke setengah bilangan bulat?

Sekilas, pembagian partikel ke dalam kategori dengan sifat-sifat seperti itu tampak acak.


Partikel yang dikenal dalam Model Standar. Semua ini adalah partikel fundamental, yang ditemukan secara langsung. Pada graviton, saat masih belum ditemukan, putarannya akan sama dengan 2.

Lagipula, sebuah partikel adalah sebuah partikel, bukan? Tentu saja, ada lebih banyak perbedaan antara quark (tunduk pada interaksi yang kuat) dan lepton (tidak tunduk padanya) daripada antara fermion dan boson? Tentu saja, perbedaan antara materi dan antimateri berarti lebih dari sekadar berputar? Apakah ada atau tidak adanya massa lebih dari sesuatu yang sepele seperti momentum sudut?

Ternyata ada beberapa perbedaan kecil, signifikan, yang terkait dengan putaran, tetapi ada dua perbedaan serius yang memiliki jauh lebih signifikan daripada yang dipikirkan kebanyakan orang, dan bahkan sebagian besar fisikawan.


Foton, partikel, dan antipartikel di Semesta awal. Itu penuh dengan boson dan fermion, serta semua antifermasi yang bisa dibayangkan

Pertama, hanya fermion yang memiliki salinan antipartikel. Antipartikel untuk quark - antiquark. Antipartikel elektron adalah positron, sedangkan neutrino memiliki antineutrino. Boson, di sisi lain, adalah antipartikel boson lain, dan banyak boson adalah antipartikel dari diri mereka sendiri. Tidak ada yang namanya antiboson. Bertabrakan dengan foton dengan foton lain? Z ⁰ dengan Z ^{0 lainnya} ? Ini sama, dalam hal interaksi materi dan antimateri, seperti penghancuran elektron dan positron.


Boson - seperti, misalnya, foton - dapat menjadi antipartikel untuk dirinya sendiri, tetapi fermion dan antifermion berbeda (seperti elektron dan positron)

Partikel komposit dapat dibuat dari fermion: dua quark atas dan satu rendah memberikan proton (fermion), satu atas dan dua lebih rendah memberikan neutron (fermion). Karena sifat putaran, jika Anda mengambil jumlah fermion yang ganjil dan mengikatnya bersama-sama, partikel komposit yang baru akan berperilaku seperti fermion. Itulah sebabnya ada proton dan antiproton, dan oleh karena itu neutron berbeda dari antineutron. Dan partikel-partikel yang terdiri dari sejumlah fermion, seperti kombinasi quark-antiquark (dikenal sebagai meson), berperilaku seperti boson. Pion netral π ⁰ itu sendiri merupakan antipartikel.

Alasannya sederhana: masing-masing fermion ini adalah partikel dengan putaran ± 1/2. Jika Anda menambahkan dua partikel bersama-sama, Anda mendapatkan objek dengan putaran -1, 0, atau +1, yaitu bilangan bulat (dan karenanya, itu adalah boson). Jika Anda menambahkan tiga, Anda mendapatkan putaran -3/2, -1/2, +1/2, atau +3/2, yaitu fermion. Jadi perbedaan partikel dan antipartikel cukup besar. Tetapi ada perbedaan kedua, bahkan mungkin lebih penting.


Tingkat energi untuk energi serendah mungkin dalam atom oksigen netral. Karena elektron adalah fermion, bukan boson, semuanya tidak dapat eksis di tingkat pertama, bahkan pada suhu rendah yang sewenang-wenang.

Prinsip larangan Pauli hanya berlaku untuk fermion, dan tidak untuk boson. Dia mendalilkan bahwa dalam sistem kuantum apa pun dua fermion tidak dapat menempati keadaan kuantum yang sama. Boson tidak memiliki batasan seperti itu. Jika Anda mengambil inti atom dan mulai menambahkan elektron ke dalamnya, elektron pertama akan masuk ke keadaan dasar - keadaan dengan energi terendah. Karena ini adalah partikel dengan putaran 1/2, keadaan putarannya bisa +1/2 atau -1/2. Jika Anda menambahkan elektron kedua ke atom, putarannya akan berada di kondisi sebaliknya, dan itu juga akan masuk ke keadaan dengan energi terendah. Tetapi jika Anda menambahkan lebih banyak elektron, mereka tidak akan bisa masuk ke keadaan dasar, dan mereka harus menetap di tingkat energi berikutnya.


Tingkat energi dan fungsi gelombang elektron sesuai dengan berbagai keadaan atom hidrogen.

Itulah sebabnya sistem periodik elemen Mendeleev diatur dengan cara ini. Oleh karena itu, atom memiliki sifat yang berbeda, mereka mengikat bersama dalam kombinasi yang sedemikian kompleks, dan oleh karena itu setiap elemen tabel adalah unik: konfigurasi elektron dalam setiap atom berbeda dari yang lain. Fakta bahwa dua fermion tidak dapat berada dalam keadaan kuantum yang sama mengarah pada penampilan sifat-sifat fisik dan kimia unsur-unsur tertentu, ke sejumlah besar kombinasi molekuler dan ke ikatan fundamental yang memungkinkan terjadinya reaksi kimia dan kehidupan yang kompleks.


Cara atom mengikat dan membentuk molekul, termasuk yang organik, hanya dimungkinkan berkat prinsip larangan Pauli

Di sisi lain, sebanyak boson yang Anda inginkan dapat dibawa ke keadaan kuantum yang sama! Ini memungkinkan Anda untuk membuat kondisi bosonik khusus, yang dikenal sebagai kondensat Bose-Einstein. Dengan mendinginkan boson sedemikian rupa sehingga mereka memasuki keadaan dengan energi paling sedikit, Anda dapat menempatkan jumlah mereka di satu tempat. Helium (terdiri dari sejumlah fermion, karena itu berperilaku seperti boson) pada suhu rendah berubah menjadi superfluid - hasil kondensasi Bose-Einstein. Sampai saat ini, gas, molekul, partikel semu, dan bahkan foton telah berhasil membawa keadaan seperti itu. Penelitian aktif masih berlangsung di bidang ini.


Atom rubidium sebelum (kiri), selama (di tengah) dan setelah (kanan) transisi ke kondensat Bose-Einstein. Grafik menunjukkan bagaimana atom mengembun dari daerah merah, kuning, dan hijau yang kurang padat ke biru dan putih yang lebih padat

Fakta bahwa elektron adalah fermion mengarah pada fakta bahwa bintang katai tidak runtuh karena beratnya sendiri; fakta bahwa neutron adalah fermion mengarah pada fakta bahwa keruntuhan bintang neutron berhenti di beberapa titik. Prinsip larangan Pauli, yang bertanggung jawab atas struktur atom, menjaga benda fisik terpadat dari menjadi lubang hitam.


Katai putih, bintang neutron, dan bahkan bintang quark, semuanya terdiri dari fermion.

Ketika materi atau antimateri memusnahkan atau meluruh, mereka memanaskan sistem ke suhu tergantung pada apakah partikel mematuhi statistik Fermi-Dirac (untuk fermion) atau Bose-Einstein (untuk boson). Oleh karena itu, hari ini suhu radiasi CMB adalah 2,73 K, dan radiasi latar neutrino 0,8 K lebih rendah: ini disebabkan oleh penghancuran dan statistik ini, yang bekerja di Semesta awal.


Menyesuaikan jumlah neutrino agar sesuai dengan data tentang fluktuasi CMB. Data tersebut bertepatan dengan radiasi neutrino, yang suhunya setara dengan energi adalah 1,95 K - jauh lebih sedikit daripada foton CMB

Fakta bahwa putaran setengah integral dalam fermion dan keseluruhan putaran dalam boson adalah hal yang menarik, tetapi jauh lebih menarik bahwa kedua kelas partikel ini mematuhi aturan kuantum yang berbeda. Pada tingkat fundamental, perbedaan-perbedaan ini memungkinkan keberadaan kita. Ini adalah hasil yang baik untuk hal-hal sepele seperti perbedaan ± 1/2 dalam momentum sudut internal. Tetapi konsekuensi besar dari aturan yang tampaknya murni kuantum menggambarkan betapa pentingnya putaran dapat, dan perbedaan antara boson dan fermion.

Ethan Siegel - astrofisika, sains popularizer, penulis buku Starts With A Bang! Dia menulis buku-buku "Beyond the Galaxy" [ Beyond The Galaxy ], dan "Tracknology: the science of Star Trek" [ Treknology ].