Bosoni e fermioni

BOSONI E FERMIONI

Secondo il Modello Standard esistono due grandi classi di particelle: i fermioni e i bosoni. Prima di procedere è necessario sapere che tutte le particelle sono caratterizzate da uno specifico valore dello spin. In fisica classica, il numero quantico di spin, (m_s) indica il verso del moto rotatorio della particella intorno al proprio asse e si indica con ↑↓; in fisica quantistica lo spin è una proprietà intrinseca di ogni particella subatomica, indipendente dal suo stato di moto. Le possibili equazioni statistiche quantiche delle particelle sono due e sono collegate in modo molto stretto allo spin delle particelle cui si riferiscono.

La prima equazione statistica quantistica a essere scoperta fu quella di Bose-Einstein, che si applica a tutte le particelle subatomiche di spin intero () alle quali è stato assegnato, in onore di S.N. Bose, il nome collettivo di bosoni. Nel caso di queste particelle atomiche e subatomiche vale la regola che uno stesso stato quantico può essere contemporaneamente occupato da un numero arbitrariamente grande di particelle. Per così dire, i bosoni sono "socievoli" e tendono a stare tutti insieme, producendo un "condensato" di bosoni. I bosoni sono mediatori delle forze di interazione che agiscono tra i fermioni. Sono infatti i bosoni che trasportano la forza che fa interagire tra loro le particelle di materia. Queste particelle vengono emesse e riassorbite dalle particelle fermioniche interagenti.

Due anni dopo la scoperta dell'equazione statistica di Bose-Einstein, E. Fermi e P.A.M. Dirac mostrarono che esiste un secondo tipo di equazione statistica quantistica che, da allora, è detta statistica di Fermi-Dirac. Essa descrive sistemi statistici composti da particelle subatomiche con spin semidispari (.). Tali particelle sono dette, in onore di Fermi, fermioni. Queste particelle sono tutt'altro che "socievoli" e non è possibile avere contemporaneamente due particelle dello stesso tipo nello stesso stato quantico secondo il Principio di esclusione di Pauli. I fermioni sono i veri e propri costituenti della materia. La natura fermionica della materia permette l'esistenza della struttura del mondo, e cioè la differenziazione delle cose. Se i fermioni non fossero fondati sul principio di esclusione di Pauli che obbliga gli elettroni - che sono dei fermioni - a occupare orbitali ben precisi e distinti nell'atomo, la materia che conosciamo non avrebbe né un volume né una forma. I fermioni fondamentali sono l'elettrone, il protone e il neutrone.

Fino alla fine degli anni '20 si pensava che il protone, il neutrone e l'elettrone fossero le uniche particelle fondamentali costituenti la materia e responsabili delle sue proprietà.