Введение
Элементарные частицы, являющиеся переносчиками силы
В физике частиц, калибровочный бозон — это бозонная элементарная частица, выступающая в роли переносчика силы для элементарных фермионов. Элементарные частицы, взаимодействия которых описываются калибровочной теорией, взаимодействуют друг с другом посредством обмена калибровочными бозонами, обычно в виде виртуальных частиц. Фотоны, W и Z бозоны и глюоны являются калибровочными бозонами. У всех известных калибровочных бозонов спин равен 1; для сравнения, у бозона Хиггса спин равен нулю, а у гипотетического гравитона — 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 являющиеся переносчиками силы, такие как некоторые атомы.
Измерительные бозоны в Стандартной модели
Стандартная модель физики частиц признает четыре типа калибровочных бозонов: фотоны, переносящие электромагнитное взаимодействие; W и Z бозоны, переносящие слабое взаимодействие; и глюоны, переносящие сильное взаимодействие. Изолированные глюоны не наблюдаются в природе, поскольку они несут цветовой заряд и подвержены цветовому удержанию.
Множественность гаджетных бозонов
В квантованной калибровочной теории, калибровочные бозоны являются квантами калибровочных полей. Следовательно, число калибровочных бозонов равно числу 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 W и Z бозона соответствуют (приблизительно) трем генераторам SU(2) в электрослабой теории.
Бозоны массивного гаража
Инвариантность калибровки требует, чтобы калибровочные бозоны математически описывались уравнениями поля для безмассовых частиц. В противном случае, массовые члены добавляют ненулевые дополнительные слагаемые в лагранжиан при калибровочных преобразованиях, нарушая калибровочную симметрию. Следовательно, на наивном теоретическом уровне, все калибровочные бозоны должны быть безмассовыми, а силы, которые они описывают, – иметь большой радиус действия. Противоречие между этой идеей и экспериментальными данными, свидетельствующими о том, что слабые и сильные взаимодействия имеют очень короткий радиус действия, требует более глубокого теоретического понимания. Согласно Стандартной модели, бозоны W и Z приобретают массу посредством механизма Хиггса. В механизме Хиггса четыре калибровочных бозона (симметрии SU(2)×U(1) объединенного электрослабого взаимодействия) взаимодействуют с полем Хиггса. Это поле испытывает спонтанное нарушение симметрии из-за формы своего потенциала взаимодействия. В результате, Вселенная пронизана ненулевым вакуумным ожидаемым значением поля Хиггса (VEV). Это VEV взаимодействует с тремя электрослабыми бозонами (W⁺, W⁻ и Z), придавая им массу; оставшийся калибровочный бозон остается безмассовым (фотон). Эта теория также предсказывает существование скалярного бозона Хиггса, который был обнаружен в экспериментах на Большом адронном коллайдере (БАК).
Теории великого объединения
Модель Георги — Глашоу предсказывает существование дополнительных калибровочных бозонов, названных 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 еще массивнее, чем W и Z бозоны, из-за нарушения симметрии. Анализ данных, полученных из таких источников, как нейтринный детектор Super Kamiokande, не выявил никаких свидетельств существования X и Y бозонов.
Гравитоны
Четвертое фундаментальное взаимодействие, гравитация, также может переноситься бозоном, называемым гравитоном. В отсутствие экспериментальных подтверждений и математически непротиворечивой теории квантовой гравитации, неизвестно, является ли этот бозон калибровочным или нет. В общей теории относительности роль калибровочной инвариантности играет схожая симметрия: инвариантность диффеоморфизмов.
Бозоны W′ и Z′
Бозоны W′ и Z′ относятся к гипотетическим новым калибровочным бозонам (названным по аналогии с бозонами W и Z Стандартной модели).