Калибровочные бозоны и фундаментальные взаимодействия

Калибровочные бозоны — это частицы со спином 1, которые опосредуют фундаментальные взаимодействия Стандартной модели, при этом каждая сила возникает из локальной калибровочной симметрии.

Definition

Калибровочные бозоны — это переносчики силы со спином 1 в Стандартной модели; фотон опосредует электромагнитную силу, W- и Z-бозоны опосредуют слабое взаимодействие, а восемь глюонов опосредуют сильное взаимодействие, каждый из которых возникает как квант калибровочного поля, связанного с локальной симметрией.

Scope

Эта тема охватывает фотон электромагнетизма, W- и Z-бозоны слабого взаимодействия и глюоны сильного взаимодействия, а также принцип калибровочной симметрии, который определяет их существование и связи. В ней рассматриваются диапазоны и относительные силы трех взаимодействий, различие между абелевыми и неабелевыми калибровочными полями, а также то, как безмассовость фотона и глюона контрастирует с тяжелыми, короткодействующими W- и Z-бозонами.

Core questions

• Как локальная калибровочная симметрия требует существования бозона-переносчика силы?
• Почему фотон и глюон безмассовы, тогда как W- и Z-бозоны тяжелы?
• Что отличает абелев электромагнетизм от неабелевых слабого и сильного взаимодействий?
• Как различаются диапазоны и силы фундаментальных взаимодействий?

Key concepts

• Фотон и электромагнитное взаимодействие
• W- и Z-бозоны и слабое взаимодействие
• Глюоны и сильное взаимодействие
• Локальная калибровочная инвариантность
• Абелевы против неабелевых калибровочных полей
• Диапазон силы и константа связи

Key theories

Теория Янга-Миллса

Неабелевы калибровочные теории обобщают электромагнетизм на группы симметрии, генераторы которых не коммутируют, порождая самовзаимодействующие калибровочные бозоны и лежащие в основе как слабого, так и сильного взаимодействий.

Опосредование сил виртуальными бозонами

Каждое фундаментальное взаимодействие описывается как обмен виртуальными калибровочными бозонами между фермионами, при этом масса бозона определяет эффективный диапазон силы, а константа связи — ее интенсивность.

Clinical relevance

Каждый из калибровочных бозонов был экспериментально подтвержден: W- и Z-бозоны были открыты в ЦЕРНе в 1983 году, а глюоны были выведены из трехструйных событий. Измеренные массы и связи этих бозонов обеспечивают строгие прецизионные тесты электрослабого и сильного секторов Стандартной модели.

History

Принцип калибровки был обобщен на неабелевы симметрии Янгом и Миллсом в 1954 году, что обеспечило математическую основу, позднее использованную для описания слабого и сильного взаимодействий. Массивные W- и Z-бозоны, предсказанные электрослабой теорией, были обнаружены на протон-антипротонном коллайдере ЦЕРН в 1983 году, а глюон был установлен в ходе исследований струй на электрон-позитронных коллайдерах, что подтвердило структуру калибровочных бозонов Стандартной модели.

Key figures

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

Seminal works

• yangmills1954
• halzenmartin1984

Frequently asked questions

Почему слабое взаимодействие имеет такой короткий диапазон?

Слабое взаимодействие опосредуется очень тяжелыми W- и Z-бозонами. Большая масса бозона ограничивает дальность распространения виртуального бозона, ограничивая слабое взаимодействие субъядерными расстояниями.

Переносится ли гравитация калибровочным бозоном в Стандартной модели?

Нет. Стандартная модель включает только фотон, W- и Z-бозоны и глюоны. Гипотетический гравитон опосредовал бы гравитацию, но он не является частью Стандартной модели и не был обнаружен.