Boson gauge

În fizica particulelor, un boson gauge este o particulă elementară bosonică ce acționează ca purtător de forță pentru fermionii elementari.^[1]^[2] Particulele elementare ale căror interacțiuni sunt descrise de o teorie gauge interacționează între ele prin schimbul de bosoni gauge, de obicei sub formă de particule virtuale.

Fotonii, bosonii W și Z și gluonii sunt bosoni gauge. Toți bosonii gauge cunoscuți au spinul 1; pentru comparație, bosonul Higgs are spinul 0, iar gravitonul ipotetic are spinul 2. Prin urmare, toți bosonii gauge cunoscuți sunt bosoni vectoriali.

Bosonii gauge se diferențiază de celelalte tipuri de bosoni prin trei aspecte principale: spre deosebire de bosonii scalari fundamentali, precum bosonul Higgs, bosonii gauge nu sunt scalari; spre deosebire de mezoni, care sunt bosoni compoziți formați din quarci, bosonii gauge sunt particule elementare. Spre deosebire de bosonii compoziți mai mari care nu transmit forțe, precum anumiți atomi, bosonii gauge sunt responsabili de transmiterea forțelor fundamentale ale naturii.

Bosoni gauge în modelul standard[modificare | modificare sursă]

Modelul standard al fizicii particulelor recunoaște patru tipuri de bosoni gauge: fotonii, care mediază interacțiunea electromagnetică; bosonii W și Z, care mediază interacțiunea slabă; și gluonii, care mediază interacțiunea tare.^[3]

Gluonii nu pot exista izolați deoarece sunt încărcați cu o proprietate numită culoare și sunt supuși confinării cromodinamice.

Multiplicitatea bosonilor gauge[modificare | modificare sursă]

Într-o teorie gauge cuantificată, bosonii gauge sunt cuante ale câmpurilor gauge. Ca urmare, există tot atâția bosoni gauge câți generatori are câmpul gauge. În electrodinamica cuantică, grupul gauge este U(1); în acest caz simplu, există un singur boson gauge, fotonul. În cromodinamica cuantică, grupul mai complex SU(3)^⁠(d) are opt generatori, corespunzători celor opt gluoni. Cei trei bosoni W și Z corespund (aproximativ) celor trei generatori ai lui SU(2)^⁠(d) în teoria interacțiunilor electroslabe.

Bosoni gauge masivi[modificare | modificare sursă]

Invarianța gauge impune ca bosonii gauge să fie descriși matematic prin ecuații de câmp pentru particule fără masă. Altfel, termenii de masă adaugă termeni suplimentari nenuli la Lagrangian în cadrul transformărilor gauge, încălcând astfel simetria gauge. Prin urmare, la un nivel teoretic naiv, toți bosonii gauge ar trebui să fie fără masă, iar forțele pe care le descriu ar trebui să aibă o rază lungă de acțiune. Conflictul dintre această idee și dovezile experimentale care arată că interacțiunile slabe și tari au o rază foarte scurtă de acțiune necesită o abordare teoretică suplimentară.

Conform modelului standard, bosonii W și Z își dobândesc masa prin intermediul mecanismului Higgs. În acest mecanism, cei patru bosoni gauge (ai simetriei SU(2)×U(1)) ai interacțiunii electroslabe unificate se cuplează cu un câmp Higgs. Acest câmp suferă o rupere spontană a simetriei datorită formei potențialului său de interacțiune. Ca rezultat, universul este străbătut de o valoare nenulă a valorii medii în vid (VEV) a câmpului Higgs. Această VEV se cuplează cu trei dintre bosonii gauge electroslabi (W⁺, W⁻ și Z), conferindu-le masă; bosonul gauge rămas rămâne fără masă (fotonul). Această teorie prezice, de asemenea, existența unui boson Higgs scalar, care a fost observat în experimentele de la LHC.^[4]

Dincolo de modelul standard[modificare | modificare sursă]

Teorii ale marii unificări[modificare | modificare sursă]

Modelul Georgi–Glashow prezice existența unor bosoni gauge suplimentari, numiți bosoni X și Y^⁠(d). Acești bosoni ipotetici ar media interacțiuni între quarci și leptoni, încălcând astfel legea conservării numărului barionic și provocând dezintegrarea protonului. Din cauza ruperii simetriei, acești bosoni ar fi chiar mai masivi decât bosonii W și Z. Analiza datelor colectate de la detectorul de neutrini Super-Kamiokande^⁠(d) nu a identificat nicio dovadă a existenței bosonilor X și Y.

Gravitoni[modificare | modificare sursă]

A patra interacțiune fundamentală, gravitația, ar putea fi mediată de un boson numit graviton. Din cauza lipsei dovezilor experimentale și a unei teorii coerente din punct de vedere matematic pentru gravitația cuantică, nu se știe încă dacă acesta ar fi un boson gauge sau nu. În relativitatea generală, rolul invarianței gauge este jucat de o simetrie similară^{[necesită clarificare]}: invarianța difeomorfismului.