International Physics Masterclasses

Egenspinn

I tillegg til masse og elektrisk ladning, som du er kjent med, har partikler en annen grunnleggende egenskap som kalles egenspinn. Egenspinn er et rent kvantemekanisk fenomen med viktige anvendelser i moderne teknologi og databehandling. "Spintronics", eller spinn-elektronikk, utnytter egenspinnet til partikler i stedet for eller i tillegg til elektrisk ladning, og gir opphav til variert funksjonalitet: datalagring og kvantedatamaskiner, for å nevne et par eksempler.

Så hva er egentlig egenspinn? For å forstå hva egenspinn er, må vi først lære om spinn. Spinn er en vektorstørrelse som er relatert til rotasjonsbevegelse på samme måte som massefart er relatert til rettlinjet bevegelse. I klassisk mekanikk, kan spinnet bestå av bidrag fra både banebevegelse (slik som jordas årlige bevegelse rundt sola) og "egenspinn" (slik som jordas daglige rotasjon om sin egen akse). Analogt med den klassiske teorien, introduseres egenspinn som det iboende (intrinsikke) spinnet til en elementærpartikkel. Siden man ikke kan tenke seg at en punktpartikkel roterer på samme måte som jorda, har den klassiske analogien sine begrensninger.

For å si det enkelt, har egenspinnet å gjøre med hvordan en partikkel i ro ser ut sett fra forskjellige retninger. I dagliglivet er det mulig å rotere et objekt for å undersøke i hvilken grad det er (an)isotropisk. Slik er det ikke i mikroverden, særlig når man har med punktpartikler å gjøre. I dette tilfellet legges det vekt på partiklenes oppførsel og karakterisering av deres iboende egenskaper, inkludert egenspinnet.

I partikkelfysikken må vi se på henfallsproduktene til kortlevde partikler for å fastslå deres egenspinn. Spinn er en bevart vektorstørrelse i analogi med massefart. En vektorstørrelse har både en størrelse (lengden av vektoren) og en retning. Elektrisk ladning, masse og temperatur kalles skalare størrelser, siden ett tall er nok til å beskrive dem fullstendig.

Kvantemekanikken fastsetter bestemte, diskrete egenspinnverdier til de forskjellige partiklene, som faller i to kategorier. Fermioner har halvtallig egenspinn (1/2, 3/2, 5/2, ...), mens bosoner har heltallig egenspinn (0, 1, 2, ...). La oss ta for oss de partiklene vi kjenner til. Partiklene materie består av (leptoner, kvarker, protoner, nøytroner) er fermioner med egenspinn 1/2 (såkalte spinn-1/2-partikler). De kraftbærende partiklene og Higgs-partikkelen er bosoner. Fotonet, gluonene, W-bosonet og Z-bosonet er spinn-1-partikler. Higgspartikkelen har egenspinn 0.

Fermioner og bosoner har motsatt kollektiv oppførsel. Bosoner er sosiale partikler i den forstand at identiske bosoner (med akkurat samme egenskaper) kan befinne seg i samme tilstand. Prinsippet bak laseren bygger nettopp på det at et stort antall fotoner kan befinne seg i samme tilstand. Fermioner er "enstøinger", og adlyder eksklusjonsprinsippet: to identiske fermioner kan ikke befinne seg i eksakt samme tilstand. Dette fenomenet forklarer det periodiske system og hele kjemien.