ゲージボソンと基本相互作用

ゲージボソンは、標準模型の基本相互作用を媒介するスピン1の粒子であり、それぞれの力は局所ゲージ対称性から生じます。

Definition

ゲージボソンは、標準模型における力を媒介するスピン1の粒子です。光子は電磁力を媒介し、WおよびZボソンは弱い力を媒介し、8つのグルーオンは強い力を媒介します。それぞれが局所対称性に関連するゲージ場の量子として生じます。

Scope

このトピックでは、電磁気学の光子、弱い相互作用のWおよびZボソン、強い相互作用のグルーオンについて、それらの存在と結合を決定するゲージ対称性の原理とともに扱います。3つの力の範囲と相対的な強さ、アーベル型と非アーベル型ゲージ場の区別、そして光子とグルーオンの質量がWおよびZボソンの重く短距離な性質とどのように対照的であるかについて論じます。

Core questions

• 局所ゲージ対称性は、どのようにして力を媒介するボソンの存在を要求するのでしょうか？
• なぜ光子とグルーオンは質量を持たないのに、WおよびZボソンは重いのでしょうか？
• アーベル型電磁気学と非アーベル型弱い力および強い力は、何が異なるのでしょうか？
• 基本相互作用の範囲と強さは、どのように異なるのでしょうか？

Key concepts

• 光子と電磁相互作用
• WおよびZボソンと弱い相互作用
• グルーオンと強い相互作用
• 局所ゲージ不変性
• アーベル型ゲージ場と非アーベル型ゲージ場
• 力の範囲と結合強度

Key theories

ヤン-ミルズゲージ理論

非アーベルゲージ理論は、生成子が可換でない対称群に電磁気学を一般化し、自己相互作用するゲージボソンを生成し、弱い相互作用と強い相互作用の両方の基礎となります。

仮想ボソンによる力の媒介

各基本相互作用は、フェルミオン間の仮想ゲージボソンの交換として記述され、ボソンの質量が力の有効範囲を決定し、結合がその強さを決定します。

Clinical relevance

ゲージボソンはそれぞれ実験的に確認されており、WおよびZボソンは1983年にCERNで発見され、グルーオンは3ジェット事象から推測されました。それらの測定された質量と結合は、標準模型の電弱セクターと強いセクターの厳密な精密テストを提供します。

History

ゲージ原理は1954年にヤンとミルズによって非アーベル対称性に一般化され、後に弱い力と強い力に用いられる数学的枠組みを提供しました。電弱理論によって予測された質量を持つWおよびZボソンは、1983年にCERNの陽子-反陽子衝突型加速器で発見され、グルーオンは電子-陽電子衝突型加速器でのジェット研究を通じて確立され、標準模型のゲージボソン構造が確認されました。

Key figures

• Chen-Ning Yang
• Robert Mills
• Sheldon Glashow
• Carlo Rubbia

Seminal works

• yangmills1954
• halzenmartin1984

Frequently asked questions

なぜ弱い力はこれほど短距離なのでしょうか？

弱い力は非常に重いWおよびZボソンによって媒介されます。ボソンの質量が大きいと、仮想ボソンが伝播できる距離が制限され、弱い相互作用は原子核以下の距離に閉じ込められます。

標準模型において、重力はゲージボソンによって運ばれるのでしょうか？

いいえ。標準模型には、光子、WおよびZボソン、グルーオンのみが含まれます。仮説上の重力子（グラビトン）は重力を媒介するとされていますが、標準模型の一部ではなく、観測もされていません。