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 посредством обмена калибровочными бозонами, обычно как виртуальные частицы .
Фотоны , W- и Z-бозоны , а также глюоны являются калибровочными бозонами. Все известные калибровочные бозоны имеют спин 1; для сравнения, бозон Хиггса имеет спин ноль, а гипотетический гравитон имеет спин 2. Следовательно, все известные калибровочные бозоны являются векторными бозонами .
Калибровочные бозоны отличаются от других видов бозонов: во-первых, фундаментальные скалярные бозоны (бозон Хиггса); во-вторых, мезоны , которые являются составными бозонами, состоящими из кварков ; в-третьих, более крупные составные бозоны, не переносящие силу, такие как некоторые атомы .
Стандартная модель физики элементарных частиц распознает четыре вида калибровочных бозонов: фотоны , которые переносят электромагнитное взаимодействие ; W- и Z-бозоны , которые переносят слабое взаимодействие ; и глюоны , которые переносят сильное взаимодействие . [3]
Изолированные глюоны не встречаются, поскольку они имеют цветовой заряд и подвержены цветовому ограничению .
В квантованной калибровочной теории калибровочные бозоны являются квантами калибровочных полей . Следовательно, калибровочных бозонов столько же, сколько и генераторов калибровочного поля. В квантовой электродинамике калибровочная группа — 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 описывались математически уравнениями поля для безмассовых частиц. В противном случае массовые члены добавляют ненулевые дополнительные члены к лагранжиану при калибровочных преобразованиях, нарушая калибровочную симметрию. Поэтому на наивном теоретическом уровне все калибровочные бозоны должны быть безмассовыми, а силы, которые они описывают, должны быть дальнодействующими. Конфликт между этой идеей и экспериментальными доказательствами того, что слабые и сильные взаимодействия имеют очень короткий радиус действия, требует дальнейшего теоретического понимания.
Согласно Стандартной модели, W- и Z-бозоны приобретают массу посредством механизма Хиггса . В механизме Хиггса четыре калибровочных бозона (симметрии SU(2)×U(1)) единого электрослабого взаимодействия связываются с полем Хиггса . Это поле претерпевает спонтанное нарушение симметрии из-за формы своего потенциала взаимодействия. В результате Вселенная пронизана ненулевым ожидаемым значением вакуума Хиггса (VEV). Это VEV связывается 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 LHC . [4]
Модель Джорджи–Глэшоу предсказывает дополнительные калибровочные бозоны, называемые X- и Y-бозонами . Гипотетические X- и Y-бозоны опосредуют взаимодействия 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 дал никаких доказательств существования X- и Y-бозонов. [ необходима цитата ]
Четвертое фундаментальное взаимодействие, гравитация , 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 похожая [ необходимо разъяснение ] симметрия: инвариантность диффеоморфизма .
Бозоны W′ и Z′ относятся к гипотетическим новым калибровочным бозонам (названным по аналогии с бозонами W и Z Стандартной модели ).