ボース粒子

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ボース粒子 (ボースりゅうし) とは、スピン角運動量の大きさが\hbar整数倍の量子力学的粒子である。ボソンまたはボゾン (Boson) とも呼ばれ、その名称はインドの物理学者、サティエンドラ・ボース (Satyendra Nath Bose) に由来する。

複数のボース粒子の系[編集]

ボソンの二粒子状態に対応する対称な波動関数

場の量子論から、整数スピンを持つ粒子は、2つの同種粒子を入れ替えたとき、波動関数の符号が変化しないという性質がある。 つまり複数の同種のボース粒子からなる系の全波動関数をψ、i番目の粒子の座標をxiとしたとき、

{\psi}( \cdots  , x_{i}, \cdots  x_{j} , \cdots ) =  {\psi}( \cdots , x_{j}, \cdots , x_{i} , \cdots )

のようにi番目とj番目の粒子を入れ替えても、波動関数の正負が逆転しない。

すなわち、2つのボース粒子があってそれぞれの1粒子の波動関数がφ、χと表せるなら、2つのボース粒子の全波動関数は単に、

\psi(x_1, x_2) = \phi(x_1) \chi(x_2)

ではなく、この入れ替えについての性質から

\psi(x_1, x_2) = \phi(x_1) \chi(x_2) + \phi(x_2) \chi(x_1)

と表されなくてはならない。

フェルミ粒子と異なり、ボース粒子には2つの粒子が同じ1粒子波動関数をとっている

\psi(x_1, x_2) = \phi(x_1) \phi(x_2)

のような状態が許される。すなわち、1つの体系内であっても同一の量子状態をいくつもの粒子がとることができる。この規則から導かれる熱平衡状態にある同一種のボース粒子からなる体系が従う量子統計をボース=アインシュタイン統計という。

ボース粒子の例[編集]

ボース粒子に属する粒子には、素粒子の間の相互作用を媒介するゲージ粒子である光子ウィークボソングルーオン (いずれもスピン1) がある。入射光を完全に吸収する物体である黒体からの光の輻射の振動数分布 (プランク分布) はボース=アインシュタイン統計から導かれる。 未発見の粒子については、重力を媒介するゲージ粒子の重力子 (グラビトン) がスピン2のボース粒子と考えられている。また、素粒子に質量を与えるヒッグス粒子はスピン0のボース粒子と考えられている。

また中間子もボース粒子である。π中間子やK中間子、D中間子、B中間子はスピン0、ρ中間子、ω中間子、φ中間子、J/ψ中間子はスピン1である。

また、凝縮物質の物理に現れるフォノンマグノンのような準粒子超伝導に関与するクーパー対もボース=アインシュタイン統計に従う。

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