Калибровочный бозон - Gauge boson

Стандартная модель элементарных частиц, с калибровочными бозонами в четвертой колонке в красном

В физике элементарных частиц , А калибровочный бозон является бозонными элементарными частицами , который опосредует взаимодействие между элементарными фермионами , и , таким образом , действует как носитель силы . Калибровочные бозоны могут нести любое из четырех фундаментальных взаимодействий природы. Элементарные частицы, взаимодействие которых описывается калибровочной теорией , взаимодействуют друг с другом путем обмена калибровочными бозонами; обычно в виде виртуальных частиц .

Фотоны , W- и Z-бозоны , глюоны и гипотетические гравитоны являются калибровочными бозонами. Все известные калибровочные бозоны имеют спин 1; для сравнения, бозон Хиггса имеет нулевой спин. 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 - составные бозоны, состоящие из кварков ; в-третьих, более крупные составные бозоны, не несущие силы, такие как определенные атомы .

Калибровочные бозоны в стандартной модели

Стандартная модель по физике элементарных частиц распознает четыре вида калибровочных бозонов: фотоны , которые несут в себе электромагнитное взаимодействие ; W- и Z-бозоны , несущие слабое взаимодействие ; и глюоны , несущие сильное взаимодействие .

Изолированные глюоны не происходят , потому что они являются цветом заряженных и при условии удержания цвета .

Кратность калибровочных бозонов

В квантованной калибровочной теории , калибровочные бозоны кванты из калибровочных полей . Следовательно, калибровочных бозонов столько, сколько генераторов калибровочного поля. В квантовой электродинамике калибровочная группа - это U (1) ; в этом простом случае имеется только один калибровочный бозон - фотон. В квантовой хромодинамике более сложная группа SU (3) имеет восемь генераторов, соответствующих восьми глюонам. Три W- и Z-бозона соответствуют (примерно) трем генераторам SU (2) в электрослабой теории .

Массивные калибровочные бозоны

По техническим причинам, связанным с калибровочной инвариантностью , калибровочные бозоны математически описываются уравнениями поля для безмассовых частиц. Следовательно, на наивном теоретическом уровне все калибровочные бозоны должны быть безмассовыми, а силы, которые они описывают, должны быть дальнодействующими. Конфликт между этой идеей и экспериментальным свидетельством того, что слабые и сильные взаимодействия имеют очень короткий диапазон, требует дальнейшего теоретического понимания.

Согласно Стандартной модели, бозоны W и Z набирают массу по механизму Хиггса . В механизме Хиггса четыре калибровочных бозона ( симметрии SU (2) × U (1)) объединенного электрослабого взаимодействия связаны с полем Хиггса . Это поле подвергается спонтанному нарушению симметрии из-за формы его потенциала взаимодействия. В результате Вселенная пронизана ненулевым значением математического ожидания вакуума Хиггса (VEV). Этот VEV связан с тремя электрослабыми калибровочными бозонами (Ws 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 .

За пределами стандартной модели

Теории великого объединения

Модель Джорджи – Глэшоу предсказывает дополнительные калибровочные бозоны, называемые X- и Y-бозонами . Гипотетические бозоны X и Y опосредуют взаимодействия между кварками и лептонами , тем самым нарушая сохранение барионного числа и вызывая распад протона . Такие бозоны были бы даже более массивными, чем бозоны W и Z из-за нарушения симметрии . Анализ данных, собранных из таких источников, как детектор нейтрино Супер-Камиоканде, не дал никаких доказательств наличия X- и Y-бозонов.

Гравитоны

Четвертое фундаментальное взаимодействие, гравитация , также может переноситься бозоном, называемым гравитоном . В отсутствие экспериментальных данных и математически согласованной теории квантовой гравитации неизвестно, будет ли это калибровочный бозон или нет. Роль калибровочной инвариантности в общей теории относительности играет аналогичная симметрия: инвариантность диффеоморфизма .

W 'и Z' бозоны

Бозоны W 'и Z' относятся к гипотетическим новым калибровочным бозонам (названным по аналогии с W- и Z-бозонами Стандартной модели ).

Смотрите также

использованная литература

внешние ссылки