В квантовой теории поля носитель силы — это тип частицы , которая порождает силы между другими частицами. Они служат квантами определенного вида физического поля . [1] [2] Носители силы также известны как частицы-мессенджеры , промежуточные частицы или обменные частицы . [3]
Квантовые теории поля описывают природу в терминах полей . Каждое поле имеет дополнительное описание как набор частиц определенного типа. Сила между двумя частицами может быть описана либо как действие силового поля, создаваемого одной частицей на другую, либо в терминах обмена виртуальными частицами-носителями силы между ними. [4]
Энергия волны в поле (например, электромагнитной волны в электромагнитном поле ) квантуется, и квантовые возбуждения поля можно интерпретировать как частицы. Стандартная модель содержит следующие частицы-носители силы, каждая из которых является возбуждением определенного силового поля:
Кроме того, составные частицы, такие как мезоны , а также квазичастицы , можно описать 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 остается предварительным, поскольку теория неполна и поскольку взаимодействия отдельных гравитонов могут быть слишком слабыми, чтобы их можно было обнаружить. [5]
Когда одна частица рассеивается от другой, изменяя ее траекторию, есть два способа думать о процессе. В полевой картине мы представляем, что поле, созданное одной частицей, вызвало силу на другой. В качестве альтернативы мы можем представить, что одна частица испускает виртуальную частицу , которая поглощается другой. Виртуальная частица передает импульс от одной частицы к другой. Эта точка зрения частицы особенно полезна, когда в расчете присутствует большое количество сложных квантовых поправок, поскольку эти поправки можно визуализировать как диаграммы Фейнмана, содержащие дополнительные виртуальные частицы.
Другим примером, связанным с виртуальными частицами, является бета-распад , при котором виртуальный W-бозон испускается нуклоном , а затем распадается на e ± и (анти)нейтрино.
Описание сил в терминах виртуальных частиц ограничено применимостью теории возмущений, из которой оно выведено. В определенных ситуациях, таких как низкоэнергетическая КХД и описание связанных состояний , теория возмущений перестает работать.
Концепция частиц-передатчиков восходит к XVIII веку, когда французский физик Шарль Кулон показал, что электростатическая сила между электрически заряженными объектами подчиняется закону, похожему на закон тяготения Ньютона . Со временем эта связь стала известна как закон Кулона . К 1862 году Герман фон Гельмгольц описал луч света как «самый быстрый из всех передатчиков». В 1905 году Альберт Эйнштейн предположил существование световой частицы в ответ на вопрос: «что такое кванты света?»
В 1923 году в Университете Вашингтона в Сент-Луисе Артур Холли Комптон продемонстрировал эффект, который теперь известен как комптоновское рассеяние . Этот эффект объясним только в том случае, если свет может вести себя как поток частиц, и он убедил физическое сообщество в существовании световой частицы Эйнштейна. Наконец, в 1926 году, за год до публикации теории квантовой механики, Гилберт Н. Льюис ввел термин « фотон », который вскоре стал названием световой частицы Эйнштейна. [6] С этого момента концепция частиц-посланников получила дальнейшее развитие, в частности, до массивных носителей силы (например, для потенциала Юкавы ).
