Калибровочный бозон

В физике элементарных частиц калибровочные бозоны – это бозоны, которые переносчиками фундаментальных взаимодействий природы. Точнее, элементарные частицы, взаимодействия которых описываются калибровочной теорией, действуют друг на друга при помощи обмена калибровочными бозонами, обычно как виртуальными частицами.
В Стандартной модели существует три типа калибровочных бозонов: фотоны, W и Z бозоны и глюоны. Каждый тип соответствует одному из трех взаимодействий, описывается в рамках Стандартной модели: фотоны – калибровочные бозоны электромагнитного взаимодействия, W и Z бозоны переносят слабое взаимодействие, а глюоны переносят сильное взаимодействие. Через конфайнмент изолированные глюоны не появляются при низких энергиях. Впрочем, при низких энергиях возможно наблюдение массивных глюболив (glueballs), существование которых на 2006 год экспериментально не подтверждено.
Количество калибровочных бозонов
В квантовой калибровочной теории калибровочные бозоны являются квантами калибровочных полей. Следовательно, калибровочных бозонов существует столько же, сколько источников калибровочных полей. В квантовой электродинамике калибровочная группа – U (1); в этом простейшем случае всего один калибровочный бозон. В квантовой хромодинамике сложнее группа SU (3) имеет 8 источников, что соответствует 8 глюонов. Три W и Z бозоны соответствуют, грубо говоря, трем источникам SU (2) в теории электрослабого взаимодействия.
Массивные калибровочные бозоны
По техническим причинам, включающим калибровочную инвариантность, калибровочные бозоны математически описываются уравнениями поля для безмасових частиц. Следовательно, на наивном теоретическом уровне восприятия все калибровочные бозоны должны быть безмасовимы, а взаимодействия, которые они описывают, должны быть взаимодействиями дальнего действия. 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 через форму 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; калибровочный бозон оставшийся остается безмасовим (фотон). Эта теория также предсказывает существование скалярного бозона Хиггса, который до сих пор обнаружен не был.
Теории великого объединения
В теориях великого объединения (ТВО) появляются дополнительные калибровочные X и Y бозоны. Они управляют взаимодействиями между кварками и лептоны, 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 Супер-Камиоканде).
Гравитоны
Четвертая фундаментальное взаимодействие, гравитация, также может переноситься бозоном, который был назван гравитон. При отсутствии экспериментальной очевидности и математически последовательной теории квантовой гравитации неизвестно, гравитон калибровочным бозоном или нет. Роль калибровочной инвариантности в Общей теории относительности играет похожая симметрия – инвариантность дифеоморфизму.