Apa itu Boson dan Fermion?

Sekolahnews – Boson memiliki spin integer dan dapat menempati ruang yang sama, menjadikannya pemain kunci dalam partikel pembawa gaya seperti foton dan gluon. Fermion, dengan spin setengah integer, mengikuti Prinsip Pengecualian Pauli, yang berarti tidak ada dua fermion yang dapat berbagi status kuantum yang sama.

Semua partikel fundamental di alam dapat dibagi menjadi dua kategori—boson dan fermion—tergantung pada bagaimana mereka “berputar” dalam istilah mekanika kuantum. Semua partikel fundamental dapat dibedakan berdasarkan putarannya. Putaran ini adalah sifat mekanika kuantum yang memiliki karakteristik momentum sudut.

Apa yang membedakan boson dan fermion? Boson adalah partikel fundamental yang memiliki spin dalam nilai integer (0, 1, 2, dst.). Di sisi lain, fermion memiliki spin dalam nilai integer setengah ganjil (1/2, 3/2, dan 5/2, tetapi tidak 2/2 atau 6/2). Spin juga dapat memiliki arah, mirip dengan bagaimana partikel yang lebih besar dapat berputar searah jarum jam atau berlawanan arah jarum jam. Boson meliputi foton (cahaya), gluon (partikel yang bertindak sebagai pembawa gaya dalam nukleus), boson Higgs, dan boson W dan Z. Fermion meliputi proton, neutron, elektron, neutrino, dan quark.

Para ilmuwan mempelajari boson dan fermion menggunakan akselerator partikel di fasilitas seperti Laboratorium Akselerator Fermi milik Departemen Energi. Kredit: Kantor Sains Departemen Energi

Dalam dunia fisika partikel, partikel dapat bergabung untuk menciptakan partikel baru. Misalnya, dua neutron (masing-masing dengan spin 1/2) dan dua proton (masing-masing dengan spin 1/2) dapat bergabung untuk menciptakan inti helium, atau partikel alfa. Dalam kasus ini, spin bergabung (baik melalui penjumlahan atau pengurangan) untuk menciptakan total spin dari partikel komposit. Spin dapat menambah atau mengurangi karena merupakan vektor—memiliki arah dan besaran. Dalam dunia normal kita, benda dapat berputar searah jarum jam atau berlawanan arah jarum jam. Dalam dunia kuantum, ilmuwan merujuk pada spin “atas” dan “bawah”. Dalam kasus inti helium helium , spin totalnya adalah 0, menjadikannya boson!

Konsekuensi mekanika kuantum yang disebut Prinsip Pengecualian Pauli menyatakan bahwa tidak ada dua fermion yang dapat menempati status kuantum yang sama. Dengan kata lain, fermion identik seperti dua elektron tidak dapat menempati lokasi yang sama di ruang angkasa dengan nomor kuantum yang sama. Keduanya tidak dapat berputar dalam arah yang sama, tetapi dapat berputar dalam arah yang berlawanan. Boson, di sisi lain, dikecualikan dari prinsip ini. Ini berarti dua boson dapat menempati lokasi yang sama di ruang angkasa dengan spin yang sama. Ini berlaku bahkan untuk boson komposit, seperti helium. Beberapa boson dalam status kuantum yang sama dapat terkumpul menjadi apa yang dikenal sebagai “Kondensat Bose-Einstein.” Kondensat Bose-Einstein ini dapat ditemukan dalam helium superfluida dan para ilmuwan percaya bahwa mereka juga ada di bintang neutron .

Fakta Boson dan Fermion

• Sekumpulan boson yang dikenal sebagai boson pengukur bertindak sebagai “pembawa gaya” antar partikel. Ini termasuk foton ( yang membawa gaya elektromagnetik), gluon (yang membawa gaya nuklir kuat), dan boson W dan Z (yang membawa gaya nuklir lemah). Graviton hipotetis, yang membawa gravitasi, belum ditemukan.
• Quark adalah fermion yang bergabung membentuk gabungan fermion, proton, dan neutron.
• Kondensat boson dapat memiliki sifat superfluida, yang berarti viskositasnya nol dan mengalir bebas tanpa kehilangan energi. Bintang neutron mungkin memiliki inti kondensat boson superfluida.
• Beberapa quark dan gluon mungkin memiliki spin yang lebih disukai, berkat gaya nuklir yang kuat.

Hampir setiap aspek penelitian Office of Science bergantung pada sifat-sifat boson dan fermion. Sifat-sifat inti atom, plasma kuark-gluon, studi laser, fusi, dan sejumlah studi lainnya secara implisit bergantung pada fakta bahwa partikel fundamental adalah boson atau fermion. Akselerator partikel di fasilitas seperti ATLAS dan Facility for Rare Isotope Beams mempelajari inti atom, yang mungkin merupakan boson atau fermion komposit. Ilmuwan menggunakan Relativistic Heavy Ion Collider (RHIC) di Brookhaven National Laboratory dan Continuous Electron Beam Accelerator Facility (CEBAF) di Thomas Jefferson National Accelerator Facility untuk mempelajari boson yang dikenal sebagai gluon dalam proton dan neutron serta fermion yang dikenal sebagai kuark. Peneliti menggunakan Long Baseline Neutrino Facility