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Lexikon der Astronomie: Bosonen

Bosonen sind nach dem indischen Physiker Satenda Nath Bose benannt und bezeichnen alle Teilchen mit ganzzahligem Spin (Eigendrehimpuls).

Spin, der Entscheider

Spin ist ein Freiheitsgrad der Teilchen, der erst mit der relativistischen Quantenmechanik erklärt werden konnte. Dies entdeckte der Quantenphysiker Paul Dirac. Anschaulich ist der Spin mit der Hilfsvorstellung verbunden wird, dass das Teilchen um die eigene Achse rotiert. Letztendlich lag diese Vorstellung nahe, weil ebenso wie der klassisch bekannte Bahndrehimpuls der Spin (wie im Übrigen auch Isospin und schwacher Isospin) einer quantenmechanischen Drehimpuls-Algebra gehorchen. Alle Drehimpulse genügen diesen bestimmten mathematischen Relationen. Die Anschaulichkeit für die Eigenschaft Spin geht jedoch sicherlich – wie in vielen Bereichen der Quantentheorie – verloren, wenn man sich die Wellenfunktion dieses Teilchens mit Spin vergegenwärtigt.

Andere Teilchen, andere Sitten

Die Bosonen unterscheiden sich fundamental von den Teilchen mit halbzahligem Spin, den Fermionen, wie das Spin-Statistik-Theorem belegt. Bosonen können in beliebiger Zahl einen einzigen Quantenzustand bevölkern. Deshalb können Bosonen komplett den Grundzustand, also den niederenergetischsten Quantenzustand besetzen. Dieses Phänomen heißt Bose-Einstein-Kondensation. Fermionen hingegen müssen sich in mindestens einer Quanteneigenschaft (Quantenzahl) z.B. dem Spin unterscheiden (Pauli Prinzip). Dieser grundsätzliche Unterschied zwischen beiden Teilchensorten ist wiederum entscheidend für die Ordnung in der Natur und begründet, dass das Periodensystem der Elemente (PSE) nur so sein kann, wie wir es in der Natur beobachten.

Willkommen im Bosonen-Zoo

In der Natur realisierte Bosonen können nur den Spin 0 (skalares Boson), Spin 1 (Vektorboson) oder Spin 2 (Tensorboson) haben. Bekannte Beispiele für Bosonen sind das skalare Higgs-Teilchen, das vektorielle Photon (das Austauschteilchen der Quantenelektrodynamik) und als Tensorboson, das noch nie experimentell nachgewiesene Graviton, das Eichboson der Quantengravitation. Für das Graviton gibt es nur von theoretischer Seite Hinweise für seine Existenz, wie die Stringtheorien nahe legen.
Helium-4 (Gesamtspin 0) ist ein klassisches Paradebeispiel für ein Bose-System. Das Bose-Einstein-Kondensat (BEK) wurde hier bei tiefen Temperaturen detailliert untersucht.

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  • Die Autoren
- Dr. Andreas Müller, München

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