Bosonii gauge sunt bosoni care acționează ca purtători ai interacțiunilor fundamentale [1] [2] . Mai precis, particulele elementare , ale căror interacțiuni sunt descrise de teoria gauge , acționează unele asupra altora prin schimbul de bosoni gauge, de obicei ca particule virtuale .
Există trei tipuri de bosoni gauge în modelul standard : fotoni , bosoni W și Z și gluoni . Fiecare tip corespunde uneia dintre cele trei interacțiuni descrise în cadrul modelului standard: fotonii sunt bosoni gauge ai interacțiunii electromagnetice , bosonii W și Z poartă forța slabă , iar gluonii poartă forța puternică [3] . Din cauza izolării , gluonii izolați nu apar la energii scăzute. Cu toate acestea, la energii scăzute, este posibil să se observe bile masive de lipici , a căror existență nu a fost confirmată experimental din 2010.
În teoria gauge cuantică , bosonii gauge sunt cuante de câmpuri gauge . Prin urmare, există tot atâtea bozoni gauge câte câmpuri gauge există. În electrodinamica cuantică , grupul gauge este U(1) ; în acest caz cel mai simplu există un singur boson gauge. În cromodinamica cuantică , grupul SU(3) mai complex are 8 generatori , ceea ce corespunde la 8 gluoni. Doi bosoni W și un boson Z corespund, în linii mari, la trei generatoare SU(2) în teoria electroslăbită .
Din motive tehnice, inclusiv invarianța gauge , care la rândul său este necesară pentru renormalizare, bosonii gauge sunt descriși matematic prin ecuații de câmp pentru particule fără masă. Prin urmare, la un nivel teoretic naiv de percepție, toți bosonii gauge trebuie să fie fără masă, iar interacțiunile pe care le descriu trebuie să fie cu rază lungă. Conflictul dintre această idee și faptul experimental că forța slabă are o rază foarte scurtă necesită investigații teoretice suplimentare.
În modelul standard, bosonii W și Z câștigă masă prin mecanismul Higgs . În mecanismul Higgs, patru bosoni gauge ( simetrii SU(2) X U(1) ) ai interacțiunii electro-slabe se combină în câmpul Higgs . Acest câmp este supus ruperii spontane a simetriei datorită formei potențialului său de interacțiune. Ca rezultat, un condensat diferit de zero al câmpului Higgs trece prin Univers . Acest condensat se combină cu trei bosoni gauge electroslăbiți (W ± și Z), dându-le masa; bosonul gauge rămas rămâne fără masă (foton). Această teorie prezice și existența bosonului Higgs scalar [4] , care a fost descoperit la LHC în 2012 [5] [6] .
În teoriile mari unificate (GUT), apar bosoni X și Y suplimentari . Aceștia guvernează interacțiunile dintre quarci și leptoni , încălcând legea de conservare a numărului barionic și provocând dezintegrarea protonului . Acești bosoni au o masă uriașă după standardele cuantice (poate chiar mai mult decât bosonii W și Z ) din cauza ruperii simetriei. Până în prezent, nu a fost obținută o singură confirmare experimentală a existenței acestor bosoni (de exemplu, într-o serie de observații ale dezintegrarii protonilor la instalația japoneză SuperKamiokande ).
A patra forță fundamentală, gravitația , poate fi purtată și de boson, care a fost numit graviton . În absența atât a cercetărilor experimentale pe această problemă, cât și a unei teorii general acceptate, consistente din punct de vedere matematic, a gravitației cuantice , de fapt, nu se știe complet dacă gravitonul este un boson gauge sau nu. Rolul invarianței gauge în relativitatea generală este jucat de o simetrie similară, invarianța difeomorfismului . (A se vedea teoria gauge a gravitației ).
A cincea forță fundamentală ipotetică poate fi purtată și de un boson gauge; este posibil ca aceasta să fie o particulă X17 .
| Particule în fizică | |||||||||||||
|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|
particule fundamentale |
| ||||||||||||
Particule compozite |
| ||||||||||||