规范玻色子与基本相互作用

规范玻色子是自旋为1的粒子，它们介导标准模型中的基本相互作用，每种力都源于局域规范对称性。

Definition

规范玻色子是标准模型中携带力的自旋为1的粒子；光子介导电磁力，W和Z玻色子介导弱力，八种胶子介导强力，每种都作为与局域对称性相关的规范场的量子而产生。

Scope

本主题涵盖电磁学的光子、弱相互作用的W和Z玻色子以及强相互作用的胶子，以及决定它们存在和耦合的规范对称性原理。它讨论了这三种力的作用范围和相对强度，阿贝尔规范场和非阿贝尔规范场之间的区别，以及光子和胶子的无质量性与重型、短程的W和Z玻色子之间的对比。

Core questions

• 局域规范对称性如何要求存在携带力的玻色子？
• 为什么光子和胶子是无质量的，而W和Z玻色子是重型的？
• 阿贝尔电磁学与非阿贝尔弱力和强力有何区别？
• 基本相互作用的作用范围和强度有何不同？

Key concepts

• 光子与电磁相互作用
• W和Z玻色子与弱相互作用
• 胶子与强相互作用
• 局域规范不变性
• 阿贝尔与非阿贝尔规范场
• 力程与耦合强度

Key theories

杨-米尔斯规范理论

非阿贝尔规范理论将电磁学推广到生成元不互易的对称群，产生自相互作用的规范玻色子，并构成了弱相互作用和强相互作用的基础。

虚玻色子介导力

每种基本相互作用都被描述为费米子之间虚规范玻色子的交换，玻色子质量决定了力的有效作用范围，耦合强度决定了力的大小。

Clinical relevance

规范玻色子都已通过实验证实，W和Z玻色子于1983年在欧洲核子研究组织（CERN）被发现，胶子则通过三喷注事件推断出来，它们的测量质量和耦合为标准模型的电弱和强子部分提供了严格的精确检验。

History

规范原理于1954年由杨振宁和米尔斯推广到非阿贝尔对称性，为后来用于弱力和强力的数学框架奠定了基础。电弱理论预测的重型W和Z玻色子于1983年在欧洲核子研究组织（CERN）的质子-反质子对撞机上被发现，胶子则通过电子-正电子对撞机上的喷注研究得以确立，从而证实了标准模型的规范玻色子结构。

Key figures

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

Seminal works

• yangmills1954
• halzenmartin1984

Frequently asked questions

为什么弱力作用范围如此之短？

弱力由非常重的W和Z玻色子介导。玻色子的大质量限制了虚玻色子传播的距离，从而将弱相互作用限制在亚核距离内。

引力是否由标准模型中的规范玻色子携带？

不是。标准模型只包括光子、W和Z玻色子以及胶子。假设的引力子将介导引力，但它不属于标准模型，也尚未被观测到。