玻色子和費米子是基本粒子，以其量子自旋而著稱。具有整數自旋的玻色子可以共享量子態，而具有半整數自旋的費米子則不能。這導致了獨特的現象，如 Bose-Einstein 凝聚態和超流體。圖片來源：Mark Garlick/科學圖片庫
這導致了獨特的現象，如 Bose-Einstein 凝聚態和超流體。
玻色子具有整數自旋，可以占據相同的空間，使它們成為光子和膠子等承載力粒子的關鍵角色。具有半整數自旋的費米子遵循包立排斥原理，這意味著沒有兩個費米子可以共享相同的量子態。
了解粒子自旋和分類
自然界中所有的基本粒子都可以分為兩類——玻色子和費米子——這取決於它們在量子力學術語中是如何「自旋」的。 基本粒子 都可以透過它們的自旋來區分。這種自旋是一種 量子力學 性質，具有角動量的特性。
量子排斥和複合粒子
玻色子和費米子有什麽區別？玻色子是具有整數值（0、1、2 等）自旋的基本粒子。另一方面，費米子的自旋為奇數半整數值（1/2、3/2 和 5/2，但不是 2/2 或 6/2）。自旋也可以有一個方向，類似於較大的粒子可以順時針或逆時針旋轉。玻色子包括光子（光）、膠子（在原子核中充當力載體的粒子）、 希格斯玻色子 以及 W 和 Z 玻色子。費米子包括 質 子、 中子 、 電子 、 微中子 和 誇克 。
科學家們在能源部的費米加速器實驗室等設施中使用粒子加速器研究玻色子和費米子。圖片來源：能源部科學辦公室
粒子相互作用和量子內容
在粒子物理學的世界中，粒子可以組合以建立新的粒子。例如，兩個中子（每個中子的自旋為 1/2）和兩個質子（每個的自旋為 1/2）可以結合形成一個氦核或一個 α 粒子。在這種情況下，自旋組合（透過加法或減法）以建立複合粒子的總自旋。Spin 可以加減，因為它是一個向量 - 它同時具有方向和大小。在我們的正常世界中，事物可以順時針或逆時針旋轉。在量子世界中，科學家們指的是「向上」和「向下」自旋。在氦 原子核 的情況下，總自旋為 0，使其成為玻色子！
量子排斥和複合粒子
量子力學的一個結果稱為包立排除原理，它表明沒有兩個費米子可以占據相同的量子態。換句話說，相同的費米子（例如兩個電子）不能在具有相同量子數的空間中占據相同的位置。它們不能都沿同一方向旋轉，但可以沿相反方向旋轉。另一方面，玻色子不受此原則的約束。這意味著兩個玻色子可能以相同的自旋在太空中占據相同的位置。即使對於復合玻色子（例如氦）也是如此。同一量子態的幾個玻色子可以聚整合所謂的「玻色-愛因斯坦凝聚態」。這些玻色-愛因斯坦凝聚態可以在超流體氦中找到，科學家們認為它們也存在於 中子星 中。
玻色子和費米子事實
一類稱為規範玻色子的玻色子充當粒子之間的「力載體」。這些包括 光子 （攜帶電磁力）、膠子（攜帶強核力）以及 W 和 Z 玻色子（攜帶弱核力）。尚未找到攜帶重力的假想重力子。
誇克是費米子結合形成復合費米子、質子和中子。
玻色子的凝聚態可以具有超流體特性，這意味著它們具有零粘度，並且可以自由流動而不會損失能量。中子星可能具有玻色子凝聚態的超流體核心。
由於強大的核力，一些誇克和膠子可能具有首選的自旋。在 這篇文章 中了解更多資訊。
美國能源部科學辦公室對玻色子和費米子研究的貢獻
科學辦公室研究的幾乎每個方面都依賴於玻色子和費米子的特性。原子核、誇克-膠子等離子體、激光研究、聚變和許多其他研究的性質都隱含地依賴於基本粒子是玻色子或費米子這一事實。ATLAS 和 稀有同位素束設施 等設施的粒子加速器研究原子核，原子核可能是復合玻色子或費米子。科學家們使用布魯克海文國家實驗室的 相對論重離子對撞機 （RHIC） 和杜文傑佛遜國家加速器設施的 連續電子束加速器設施 （CEBAF） 來研究質子和中子中稱為膠子的玻色子，以及稱為誇克的費米子。研究人員使用 長基線微中子設施
（LBNF） 在費米實驗室研究被稱為微中子的費米子的特殊性質。
