В физике элементарных частиц калибровочный бозон — это бозонная элементарная частица , которая действует как переносчик силы для элементарных фермионов . [1] [2] Элементарные частицы, взаимодействия которых описываются калибровочной теорией, взаимодействуют друг с другом путем обмена калибровочными бозонами, обычно как виртуальные частицы .
Фотоны , W- и Z-бозоны и глюоны являются калибровочными бозонами. Все известные калибровочные бозоны имеют спин 1; для сравнения: бозон Хиггса имеет нулевой спин, а гипотетический гравитон имеет спин 2. Следовательно, все известные калибровочные бозоны являются векторными бозонами .
Калибровочные бозоны отличаются от других видов бозонов: во-первых, фундаментальных скалярных бозонов (бозона Хиггса); во-вторых, мезоны , представляющие собой составные бозоны, состоящие из кварков ; в-третьих, более крупные составные бозоны, не несущие силы, такие как некоторые атомы .
Стандартная модель физики элементарных частиц признает четыре типа калибровочных бозонов: фотоны , которые осуществляют электромагнитное взаимодействие ; W- и Z-бозоны , обладающие слабым взаимодействием ; и глюоны , которые переносят сильное взаимодействие . [3]
Изолированные глюоны не встречаются, поскольку они заряжены цветом и подвержены ограничению цвета .
В квантовой калибровочной теории калибровочные бозоны представляют собой кванты калибровочных полей . Следовательно, калибровочных бозонов столько же, сколько генераторов калибровочного поля. В квантовой электродинамике калибровочная группа — это U(1) ; в этом простом случае существует только один калибровочный бозон — фотон. В квантовой хромодинамике более сложная группа SU(3) имеет восемь генераторов, соответствующих восьми глюонам. Три бозона W и Z соответствуют (примерно) трем генераторам SU(2) в электрослабой теории .
Калибровочная инвариантность требует, чтобы калибровочные бозоны математически описывались уравнениями поля для безмассовых частиц. В противном случае массовые члены добавляют ненулевые дополнительные члены к лагранжиану при калибровочных преобразованиях, нарушая калибровочную симметрию. Следовательно, на наивном теоретическом уровне все калибровочные бозоны должны быть безмассовыми, а силы, которые они описывают, должны быть дальнодействующими. Конфликт между этой идеей и экспериментальными данными о том, что слабое и сильное взаимодействия имеют очень короткий радиус действия, требует дальнейшего теоретического понимания.
Согласно Стандартной модели, W- и Z-бозоны набирают массу по механизму Хиггса . В механизме Хиггса четыре калибровочных бозона (симметрии SU (2) × U (1)) единого электрослабого взаимодействия соединяются с полем Хиггса . Это поле претерпевает спонтанное нарушение симметрии из-за формы потенциала взаимодействия. В результате Вселенная пронизана ненулевым вакуумным математическим ожиданием Хиггса (VEV). Этот VEV соединяется с тремя электрослабыми калибровочными бозонами (W + , W - и Z), придавая им массу; оставшийся калибровочный бозон остается безмассовым (фотон). Эта теория также предсказывает существование скалярного бозона Хиггса , который наблюдался в экспериментах на БАКе . [4]
Модель Джорджи-Глэшоу предсказывает дополнительные калибровочные бозоны, называемые X- и Y-бозонами . Гипотетические X- и Y-бозоны опосредуют взаимодействие между кварками и лептонами , тем самым нарушая сохранение барионного числа и вызывая распад протона . Такие бозоны были бы даже более массивными, чем W- и Z-бозоны, из-за нарушения симметрии . Анализ данных, собранных из таких источников, как нейтринный детектор Супер-Камиоканде, не выявил никаких доказательств существования X- и Y-бозонов. [ нужна цитата ]
Четвертое фундаментальное взаимодействие, гравитационное , также может переноситься бозоном, называемым гравитоном . В отсутствие экспериментальных данных и математически последовательной теории квантовой гравитации неизвестно, будет ли это калибровочный бозон или нет. Роль калибровочной инвариантности в общей теории относительности играет подобная [ нужны пояснения ] симметрия: диффеоморфизм-инвариантность .
Бозоны W' и Z' относятся к гипотетическим новым калибровочным бозонам (названным по аналогии с W- и Z-бозонами Стандартной модели ).
{{cite book}}: CS1 maint: несколько имен: список авторов ( ссылка )