玻色子和费米子是基本粒子，以其量子自旋而著称。具有整数自旋的玻色子可以共享量子态，而具有半整数自旋的费米子则不能。这导致了独特的现象，如 Bose-Einstein 凝聚态和超流体。图片来源：Mark Garlick/科学图片库
这导致了独特的现象，如 Bose-Einstein 凝聚态和超流体。
玻色子具有整数自旋，可以占据相同的空间，使它们成为光子和胶子等承载力粒子的关键角色。具有半整数自旋的费米子遵循泡利排斥原理，这意味着没有两个费米子可以共享相同的量子态。
了解粒子自旋和分类
自然界中所有的基本粒子都可以分为两类——玻色子和费米子——这取决于它们在量子力学术语中是如何「自旋」的。 基本粒子 都可以通过它们的自旋来区分。这种自旋是一种 量子力学 性质，具有角动量的特性。
量子排斥和复合粒子
玻色子和费米子有什么区别？玻色子是具有整数值（0、1、2 等）自旋的基本粒子。另一方面，费米子的自旋为奇数半整数值（1/2、3/2 和 5/2，但不是 2/2 或 6/2）。自旋也可以有一个方向，类似于较大的粒子可以顺时针或逆时针旋转。玻色子包括光子（光）、胶子（在原子核中充当力载体的粒子）、 希格斯玻色子 以及 W 和 Z 玻色子。费米子包括 质 子、 中子 、 电子 、 中微子 和 夸克 。
科学家们在能源部的费米加速器实验室等设施中使用粒子加速器研究玻色子和费米子。图片来源：能源部科学办公室
粒子相互作用和量子属性
在粒子物理学的世界中，粒子可以组合以创建新的粒子。例如，两个中子（每个中子的自旋为 1/2）和两个质子（每个的自旋为 1/2）可以结合形成一个氦核或一个 α 粒子。在这种情况下，自旋组合（通过加法或减法）以创建复合粒子的总自旋。Spin 可以加减，因为它是一个向量 - 它同时具有方向和大小。在我们的正常世界中，事物可以顺时针或逆时针旋转。在量子世界中，科学家们指的是「向上」和「向下」自旋。在氦 原子核 的情况下，总自旋为 0，使其成为玻色子！
量子排斥和复合粒子
量子力学的一个结果称为泡利排除原理，它表明没有两个费米子可以占据相同的量子态。换句话说，相同的费米子（例如两个电子）不能在具有相同量子数的空间中占据相同的位置。它们不能都沿同一方向旋转，但可以沿相反方向旋转。另一方面，玻色子不受此原则的约束。这意味着两个玻色子可能以相同的自旋在太空中占据相同的位置。即使对于复合玻色子（例如氦）也是如此。同一量子态的几个玻色子可以聚集成所谓的「玻色-爱因斯坦凝聚态」。这些玻色-爱因斯坦凝聚态可以在超流体氦中找到，科学家们认为它们也存在于 中子星 中。
玻色子和费米子事实
一类称为规范玻色子的玻色子充当粒子之间的「力载体」。这些包括 光子 （携带电磁力）、胶子（携带强核力）以及 W 和 Z 玻色子（携带弱核力）。尚未找到携带引力的假想引力子。
夸克是费米子结合形成复合费米子、质子和中子。
玻色子的凝聚态可以具有超流体特性，这意味着它们具有零粘度，并且可以自由流动而不会损失能量。中子星可能具有玻色子凝聚态的超流体核心。
由于强大的核力，一些夸克和胶子可能具有首选的自旋。在 这篇文章 中了解更多信息。
美国能源部科学办公室对玻色子和费米子研究的贡献
科学办公室研究的几乎每个方面都依赖于玻色子和费米子的特性。原子核、夸克-胶子等离子体、激光研究、聚变和许多其他研究的性质都隐含地依赖于基本粒子是玻色子或费米子这一事实。ATLAS 和 稀有同位素束设施 等设施的粒子加速器研究原子核，原子核可能是复合玻色子或费米子。科学家们使用布鲁克海文国家实验室的 相对论重离子对撞机 （RHIC） 和托马斯杰斐逊国家加速器设施的 连续电子束加速器设施 （CEBAF） 来研究质子和中子中称为胶子的玻色子，以及称为夸克的费米子。研究人员使用 长基线中微子设施
（LBNF） 在费米实验室研究被称为中微子的费米子的特殊性质。
