Калибровочные бозоны — бозоны , которые действуют как переносчики фундаментальных взаимодействий . Точнее, элементарные частицы , взаимодействия которых описываются калибровочной теорией , оказывают действие друг на друга при помощи обмена калибровочными бозонами, обычно как виртуальными частицами .

Калибровочные бозоны в рамках Стандартной модели

В Стандартной модели существует три типа калибровочных бозонов: фотоны , W- и Z-бозоны и глюоны . Каждый тип соответствует одному из трех описываемых в рамках Стандартной модели взаимодействий: фотоны — калибровочные бозоны электромагнитного взаимодействия , W- и Z-бозоны переносят слабое взаимодействие , а глюоны переносят сильное взаимодействие . Из-за конфайнмента изолированные глюоны не появляются при низких энергиях. Впрочем, при низких энергиях возможно наблюдение массивных глюболов , существование которых на 2010 год экспериментально не подтверждено.

Количество калибровочных бозонов

В квантовой калибровочной теории калибровочные бозоны являются квантами калибровочных полей . Следовательно, калибровочных бозонов существует столько же, сколько калибровочных полей. В квантовой электродинамике калибровочная группа — U(1) ; в этом простейшем случае всего один калибровочный бозон. В квантовой хромодинамике более сложная группа SU(3) имеет 8 генераторов , что соответствует 8 глюонам. Два W-бозона и один Z-бозон соответствуют, грубо говоря, трем генераторам SU(2) в теории электрослабого взаимодействия .

Массивные калибровочные бозоны

По техническим причинам, включая калибровочную инвариантность , которая в свою очередь нужна для перенормируемости, калибровочные бозоны математически описываются уравнениями поля для безмассовых частиц. Следовательно, на наивном теоретическом уровне восприятия все калибровочные бозоны должны быть безмассовыми, а взаимодействия, которые они описывают, должны быть дальнодействующими. Конфликт между этой идеей и экспериментальным фактом, что слабое взаимодействие имеет очень малый радиус действия, требует дальнейшего теоретического исследования.

По Стандартной модели W- и Z-бозоны получают массу через механизм Хиггса . В механизме Хиггса четыре калибровочных бозона ( SU(2) Х U(1) симметрии) электрослабого взаимодействия соединяются в поле Хиггса . Это поле подвержено спонтанному нарушению симметрии из-за формы его потенциала взаимодействия. В результате через Вселенную проходит ненулевой конденсат поля Хиггса. Этот конденсат соединяется с тремя калибровочными бозонами электрослабого взаимодействия (W ^± и Z), сообщая им массу; оставшийся калибровочный бозон остается безмассовым (фотон). Эта теория также предсказывает существование скалярного бозона Хиггса , который был открыт на БАК в 2012 году .

За рамками Стандартной модели

Теории великого объединения

В теориях великого объединения (ТВО) появляются дополнительные калибровочные X - и Y-бозоны . Они управляют взаимодействиями между кварками и лептонами , нарушая закон сохранения барионного числа и вызывая распад протона . Эти бозоны имеют огромную по квантовым меркам массу (возможно, даже большую, чем W- и Z-бозоны ) из-за нарушения симметрии. До сих пор не получено ни одного экспериментального подтверждения существования этих бозонов (например, в серии наблюдений за распадами протонов на японской установке SuperKamiokande ).

Гравитоны

Четвёртое фундаментальное взаимодействие, гравитация , также может переноситься бозоном, который был назван гравитоном . При отсутствии как экспериментальной исследованности этого вопроса, так и математически последовательной общепризнанной теории квантовой гравитации , в действительности окончательно не известно, является ли гравитон калибровочным бозоном или нет. Роль калибровочной инвариантности в ОТО играет похожая симметрия — . (См. Калибровочная теория гравитации ).

Пятая сила

Гипотетическое пятое фундаментальное взаимодействие также может переноситься калибровочным бозоном; возможно, что это частица X17 .

Примечания