В квантовой теории поля носитель силы ( также известный как частица-переносчик , промежуточная частица или обменная частица ) [1] — это тип частицы , которая порождает силы между другими частицами. Эти частицы служат квантами определенного вида физического поля . [2] [3]
Квантовые теории поля описывают природу в терминах полей . Каждое поле имеет дополнительное описание как набор частиц определенного типа. Силу между двумя частицами можно описать либо как действие силового поля , создаваемого одной частицей на другую, либо как обмен виртуальными частицами-носителями силы между ними. [4]
Энергия волны в поле (например, электромагнитных волн в электромагнитном поле ) квантована, и квантовые возбуждения поля можно интерпретировать как частицы. Стандартная модель содержит следующие частицы, каждая из которых является возбуждением определенного поля:
Кроме того, составные частицы, такие как мезоны , а также квазичастицы могут быть описаны как возбуждения эффективного поля .
Гравитация не является частью Стандартной модели, но считается, что могут существовать частицы, называемые гравитонами , которые являются возбуждениями гравитационных волн . Статус этой частицы все еще предварительный, поскольку теория неполна и потому, что взаимодействия одиночных гравитонов могут быть слишком слабыми, чтобы их можно было обнаружить. [5]
Когда одна частица рассеивается от другой, изменяя ее траекторию, есть два способа представить этот процесс. На картине поля мы представляем, что поле, создаваемое одной частицей, вызывает силу, действующую на другую. Альтернативно мы можем представить себе, что одна частица испускает виртуальную частицу , которая поглощается другой. Виртуальная частица передает импульс от одной частицы к другой. Эта точка зрения частиц особенно полезна, когда в расчет входит большое количество сложных квантовых поправок, поскольку эти поправки можно визуализировать как диаграммы Фейнмана , содержащие дополнительные виртуальные частицы.
Другой пример, связанный с виртуальными частицами, — это бета-распад , когда виртуальный W-бозон испускается нуклоном , а затем распадается на е ± и (анти)нейтрино.
Описание сил в терминах виртуальных частиц ограничено применимостью теории возмущений , на основе которой оно выведено. В определенных ситуациях, таких как низкоэнергетическая КХД и описание связанных состояний , теория возмущений не работает.
Концепция частиц-переносчиков восходит к 18 веку, когда французский физик Шарль Кулон показал, что электростатическая сила между электрически заряженными объектами подчиняется закону, подобному закону гравитации Ньютона . Со временем это соотношение стало известно как закон Кулона . К 1862 году Герман фон Гельмгольц описал луч света как «самого быстрого из всех посланников». В 1905 году Альберт Эйнштейн предположил существование легкой частицы в ответ на вопрос: «Что такое кванты света?»
В 1923 году в Вашингтонском университете в Сент-Луисе Артур Холли Комптон продемонстрировал эффект, ныне известный как комптоновское рассеяние . Этот эффект можно объяснить только в том случае, если свет может вести себя как поток частиц, и это убедило физическое сообщество в существовании световых частиц Эйнштейна. Наконец, в 1926 году, за год до публикации теории квантовой механики, Гилберт Н. Льюис ввёл термин « фотон », который вскоре стал названием лёгкой частицы Эйнштейна. [6] Отсюда концепция частиц-переносчиков получила дальнейшее развитие, в частности, до массивных носителей силы (например, для потенциала Юкавы ).
