Введение

В квантовой физике, тип частицы, порождающий силы между другими частицами.

В квантовой теории поля, носитель силы (также известный как частица-посредник, промежуточная частица или частица обмена) — это тип частицы, порождающий силы между другими частицами. Эти частицы являются квантами определенного типа физического поля.

Расположение частиц и поля

Квантовые теории поля описывают природу в терминах полей. Каждое поле имеет дополнительное описание как множество частиц определенного типа. Сила между двумя частицами может быть описана либо как действие силового поля, создаваемого одной частицей на другую, либо через обмен виртуальными частицами-переносчиками силы. Энергия волны в поле (например, электромагнитных волн в электромагнитном поле) квантуется, а квантовые возбуждения поля могут интерпретироваться как частицы. Стандартная модель содержит следующие частицы, каждая из которых является возбуждением определенного поля: глюоны – возбуждения сильного калибровочного поля; фотоны, W-бозоны и Z-бозоны – возбуждения электрослабых калибровочных полей; бозоны Хиггса – возбуждения одной компоненты поля Хиггса, придающей массу фундаментальным частицам. Кроме того, составные частицы, такие как мезоны, а также квазичастицы, могут быть описаны как возбуждения эффективного поля. Гравитация не входит в Стандартную модель, но предполагается, что могут существовать частицы, называемые гравитонами, которые являются возбуждениями гравитационных волн. Статус этой частицы пока остается предварительным, поскольку теория неполна и взаимодействия отдельных гравитонов могут быть слишком слабыми для обнаружения.

Силы с точки зрения частиц

Когда одна частица рассеивается на другой, изменяя свою траекторию, существует два способа описать этот процесс. В полевом представлении мы представляем, что поле, создаваемое одной частицей, оказывает силу на другую. Альтернативно, можно представить, что одна частица испускает виртуальную частицу, которая поглощается другой. Виртуальная частица передает импульс от одной частицы к другой. Такой подход, основанный на представлении о частицах, особенно полезен при большом количестве сложных квантовых поправок к вычислению, поскольку эти поправки можно визуализировать в виде диаграмм Фейнмана, содержащих дополнительные виртуальные частицы. Другим примером, связанным с виртуальными частицами, является бета-распад, где виртуальный W-бозон испускается нуклоном, а затем распадается на e± и (анти)нейтрино. Описание сил в терминах виртуальных частиц ограничено областью применимости теории возмущений, из которой оно вытекает. В определенных ситуациях, таких как низкоэнергетическая КХД и описание связанных состояний, теория возмущений перестает работать.

История

Концепция частиц-посредников восходит к XVIII веку, когда французский физик Шарль Кулон показал, что электростатическая сила между электрически заряженными объектами подчиняется закону, аналогичному закону всемирного тяготения Ньютона. Со временем эта зависимость стала известна как закон Кулона. К 1862 году Герман фон Гельмгольц описал луч света как "самого быстрого из всех посыльных". В 1905 году Альберт Эйнштейн предположил существование частицы света в ответ на вопрос: "что такое световые кванты?". В 1923 году в Вашингтонском университете в Сент-Луисе Артур Холли Комптон продемонстрировал эффект, ныне известный как рассеяние Комптона. Этот эффект объясним только в том случае, если свет может проявлять себя как поток частиц, и это убедило физическое сообщество в существовании световой частицы Эйнштейна. Наконец, в 1926 году, за год до публикации теории квантовой механики, Гилберт Н. Льюис ввёл термин "фотон", который вскоре стал общепринятым названием для световой частицы Эйнштейна. С тех пор концепция частиц-посредников получила дальнейшее развитие, в частности, в отношении массивных переносчиков силы (например, для потенциала Юкавы).