25. Fermiony a bosony
První objevenou částicí byl elektron. Elektron nalezl už sir Joseph Thomson v roce 1897. Na počátku 20. století následoval proton, poté neutron, pozitron a částicové ZOO se začalo pomalu rozrůstat. Nejprve desítky, poté stovky a dnes tisíce částic. I přes svou obrovskou rozmanitost je lze podle jejich chování rozdělit na dva obří tábory: fermiony a bosony.
První skupinou jsou fermiony, částice, pro které je typické nesnášenlivé chování. Dva fermiony se nikdy nemohou vyskytovat ve stejném kvantovém stavu. Tomuto tvrzení říkáme Pauliho vylučovací princip. Typickým zástupcem fermionů je elektron. Právě díky jeho nesnášenlivosti mají různé atomy různé chování. Kdyby se elektrony měly rády, obsadil by první elektron určitý kvantový stav v obalu, druhý by si k němu přisednul, další také a všechny elektrony by byly v základním stavu. Všechny atomy by vypadaly úplně stejně a vesmír by vůbec nebyl tak krásný, jako je. Jenže elektrony splňují Pauliho vylučovací princip, a pokud je již nějaký kvantový stav v atomárním obalu obsazen, další elektron musí obsadit jiný stav a další ještě jiný atd. Atomární obaly jsou různé a výsledkem nesnášenlivosti elektronů je to, že se atom zlata chová úplně jinak než atom hélia. Kromě elektronu patří ze známějších částic k fermionům také proton, neutron nebo neutrino.
Fermiony jsou pojmenovány podle významného italského kvantového fyzika Enrica Fermiho, který proslul především tím, že v roce 1942 spustil v Americe pod chicagským univerzitním stadionem první jaderný reaktor světa a zahájil tak éru jaderné energetiky. Enrico Fermi také vymyslel pojmenování pro neutrina, malé neutrální částice, které snadno procházejí látkou a bez problému proletí i celou Zeměkoulí. Všechny fermiony při nízkých teplotách obsazují energetické stavy jeden za druhým. Poslední obsazený stav se nazývá Fermiho hladina. Při vyšších teplotách mohou zůstat některé stavy neobsazené. Nikdy se ale nestane, že by jeden kvantový stav obsadily současně dva fermiony.
Druhou velkou skupinou jsou bosony. To jsou částice s přesně opačným chováním. Mají se rády a často obsazují společně jeden kvantový stav. Při nízkých teplotách dokonce všechny bosony obsadí jeden jediný, tzv. základní kvantový stav a vytvoří zajímavý stav látky, kterému říkáme Boseho-Einsteinův kondenzát. Všechny částice kondenzátu se chovají jako jeden celek, mohou vykazovat supravodivé či supratekuté vlastnosti. Typickým zástupcem rodiny bosonů jsou fotony – částice světla. Mezi další zástupce rodiny bosonů patří piony, gluony nebo polní částice slabé interakce W a Z.
Bosony jsou pojmenovány podle indického fyzika Satyendry Boseho. Jejich počet se nemusí zachovávat. Stačí otočit vypínačem a z žárovky se začne linout nepřeberné množství fotonů.
Pokud se budeme bavit o skutečně elementárních částicích, u nichž nenalézáme žádnou vnitřní strukturu a víme, že nejsou složené z jiných částic, platí jednoduché pravidlo. Částice látky jsou bez výjimky fermiony a polní částice zodpovědné za vzájemné působení, jsou bez výjimky bosony. Toto pravidlo ale neplatí pro složené částice, například k bosonům patří některé mezony složené z kvarku a antikvarku nebo tzv. Cooperovy páry vytvořené z vázaného stavu dvou elektronů. Samotný elektron je fermion, ale Cooperův pár je boson schopný zaujmout stejný kvantový stav s jiným Cooperovým párem. Právě Cooperovy páry dvou elektronů mohou vytvořit Boseho-Einsteinův kondenzát a způsobit supravodivost látky ochlazené na nízkou teplotu.
Při nízkých teplotách je chování fermionů a bosonů velmi odlišné. Naopak při vysokých teplotách je většina kvantových stavů neobsazených a chování fermionů a bosonů je velmi podobné. Pokud se podíváme do nějakého kvantového stavu, s největší pravděpodobností ho při vysoké teplotě najdeme neobsazený. Situace je podobná jako ve státní pokladně. Ať sáhnete do kterékoli přihrádky, s největší pravděpodobností ji naleznete prázdnou.
V poslední době se velmi často hovoří ve fyzice o supersymetrii. Podle některých teorií byla na počátku vesmíru situace jiná, než je dnes a každá částice se vyskytovala ve dvou variantách, jako boson i jako fermion. Hovoříme o dvou superpartnerech. Když vesmír ochladnul, přežila pro budoucnost jen jedna z variant. Superpartnerům bosonů přidáváme příponu –ino, tedy například k fotonu by mělo dříve existovat fotino. Superpartnerům fermionů dáváme předponu s. K elektronu tedy měl kdysi existovat selektron atd.
Zatím i na největším urychlovači světa LHC nikdo žádnou superčástici nenaleznul, a tak nevíme, zda je tato hypotéza správnou cestou či slepou uličkou. Pokud superpartnery částic v budoucnost nalezneme, počet členů naší částicové ZOO se jako mávnutím proutku naráz zdvojnásobí.