Gabaritiniai bozonai: apibrėžimas, W, Z, fotonai ir gliuonai

Gabaritiniai bozonai: aiškus apibrėžimas ir gidas apie W, Z, fotonus, gliuonus, Higso sąveikas bei gravitono vaidmenį Standartiniame modelyje.

Gauge bozonai yra trijų iš keturių fundamentaliųjų jėgų dalelės nešėjos. Standartiniame dalelių fizikos modelyje yra keturios gabaritinių bozonų rūšys. Trys gabaritiniai bozonai yra šie:

1. W ir Z bozonai, kurie perduoda silpnąją jėgą.
2. Gliuonai, pernešantys stipriąją jėgą
3. Fotonai, pernešantys elektromagnetinę jėgą

Vienintelė likusi fundamentalioji jėga, kuri neturi žinomo matuojamojo bozono, yra gravitacija. Teorinis gravitacijos gabaritinis bozonas vadinamas gravitonu.

Visi matuojamieji bozonai yra bozonai, o tai paprasčiausiai reiškia, kad du ar daugiau jų gali egzistuoti toje pačioje vietoje tuo pačiu metu, kitaip nei fermionai. Tai taip pat reiškia, kad gabaritiniai bozonai turi 0, 1 arba 2 sukinius.

Manoma, kad gaubtiniai bozonai sąveikauja su Higso lauku. Daugelis mokslininkų mano, kad šis teorinis laukas yra atsakingas už tai, kodėl vieni matuojamieji bozonai, pavyzdžiui, W ir Z bozonai, turi masę, o kiti, pavyzdžiui, fotonai, masės neturi.

Kas yra gabaritiniai bozonai?

Gabaritiniai bozonai (angl. gauge bosons) — tai dalelės, kurios mediakuoja fundamentaliąsias jonizacijas tarp kitų dalelių. Jie atsiranda kaip laukų kvantai, susiję su tam tikra gauginė simetrija (pvz., elektros krūvio, spalvos krūvio ar elektros-silpnosios simetrija). Pakeisdami vienos dalelės būseną per mainų procesus (virtualių dalelių mainą), gabaritiniai bozonai perduoda jėgą ir lemia tarpusavio sąveikas.

W ir Z bozonai (silpnoji jėga)

W ir Z bozonai yra silpnosios jėgos nešėjai. Konkrečiai:

• W+ ir W− yra kraunamos dalelės ir atsakingos už keitimo procesus, pvz., kvarko ar leptono tipo transformacijas (β skilimas — neutrono pavertimas protonu ir pan.).
• Z0 yra neutrali dalelė, kuri perduoda neutraliąsias silpnąsias sąveikas (pvz., neutrino tarpusavio susidūrimus be krūvio keitimo).

W ir Z bozonai yra gana sunkios dalelės (jų masės yra didelės palyginti su protono mase), todėl silpnoji jėga yra trumparankiška — sąveika vyksta labai mažais atstumais (~10^−18 m). Kad W ir Z taptų masyvūs, reikalingas Higso laukas, kurį Higso mechanizmas suteikia laisvės lauko kvantams masę išsaugojant gauginę simetriją tinkamu būdu.

Fotonai (elektromagnetinė jėga)

Fotonai yra elektromagnetinės jėgos nešėjai. Jie yra masės neturintys, neutrali dalelė, turinti sūkius 1, tačiau, kadangi yra be masės, fotonui būdingos tik dvi transversalinės polarizacijos (dvi laisvės lauko būsenos). Dėl to elektromagnetinė jėga turi begalinį veikimo atstumą (ji nėra apribota trumpuoju intervalu), o elektromagnetinės sąveikos stiprumą lemia elektrinis krūvis ir elektromagnetinė coupling konstanta.

Fotonai taip pat gali būti tiek tikros (realios) dalelės, tiek virtualios dalelės, vykdant sąveikas Feynmano diagramose; virtualūs fotonai lemia elektrostatinę ir magnetinę sąveiką tarp krūvių.

Gliuonai (stiprioji jėga)

Gliuonai yra stipriosios jėgos nešėjai, kurie jungia kvarkus tarpusavyje ir sudaro hadronus (pvz., protonus, neutronus). Svarbūs bruožai:

• Gliuonų yra ne vienas — pagal kvantinę chromodinamiką (QCD) egzistuoja 8 nepriklausomos gliuonų būsenȯs, susijusios su SU(3) spalvos simetrijos generatoriais.
• Gliuonai taip pat turi spalvos krūvį ir todėl gali sąveikauti vieni su kitais (save sąveikaujantys nešėjai), kas skiriasi nuo fotonų elgesio. Dėl šios savybės kyla konfinementas — laisvų gliuonų ar vienai kvarkai nematome laisvai eksperimente.
• Stipriosios jėgos stiprumas priklauso nuo atstumo ir energijos (vadinamasis running coupling) — didesnė jėga mažais atstumais (asymptotic freedom) ir konfinementas dideliems atstumams.

Gravitonas (teorinis)

Kaip minėta, gravitacija yra paskutinė fundamentali jėga be eksperimentaliai patvirtinto gabaritinio bozono. Teoriškai gravitacijos kvantas būtų gravitonas — masės neturintis, sūkiu 2 (pagal kvantinės gravitacijos populiarias hipotezes) dalinis kvantas. Tačiau gravitono neegzistavimas Standartiniame modelyje ir labai silpna gravitacija žemoje energijoje apsunkina jo aptikimą; iki šiol gravitono tiesioginio stebėjimo nėra, o kvantinės gravitacijos teorija tebėra nebaigta sritis.

Bendros savybės ir Higso mechanizmas

• Gabaritiniai bozonai priklauso bosonų klasei ir todėl laikosi Bose–Einstein statistikos — gali egzistuoti daugelis tokių pačių dalelių vienoje kvantinės būsenos.
• Matuojamiesiems bozonams taikomos gauginės simetrijos — už kiekvieną gauginę simetriją paprastai priklauso ir atitinkamas nešėjas.
• Masės kilmė: kai kuriems gauginams laukams (pvz., W ir Z) masę suteikia Higso mechanizmas, o kiti (pvz., fotonas) lieka masės neturintys, kadangi atitinkama simetrija nekinta arba lieka nepažeista.
• Polarizacijos: masyviems vektoriams (W, Z) priklauso trys poliarizacijos (dviejų transversalių ir vienos longitudinalinės), o masės neturintiems (fotonas) — dvi transversalinės.
• Sąveikos vyksta per keitimąsi virtualiais bozonais Feynmano diagramose; tai intuityviai suvokiama kaip jėgos perdavimas tarp dalelių.

Atradimai ir eksperimentinis patvirtinimas

Fotonai ir elektromagnetizmas yra žinomi nuo elektromagnetizmo formavimosi. W ir Z bozonai buvo atrasti 1983 m. CERN eksperimentuose (SPS), o jų egzistavimas patvirtino elektros ir silpnosios jėgos sujungimo teoriją. Gliuonų egzistavimą tarpiniai įrodė 1979–1980 m. (trijų spindulių (jet) įvykiai e+e− sklaidoje) ir vėliau tolesni eksperimentai patvirtino QCD.

Santrauka

Gabaritiniai (gauge) bozonai yra pagrindiniai sąveikų „kurjeriai“ Standartiniame modele: fotonai (elektromagnetinė jėga), gliuonai (stiprioji jėga) ir W ir Z bozonai (silpnoji jėga). Gravito sąveikai analogiškas nešėjas — gravitonas — yra tik teorinis. Visi šie bozonai atitinka gauginės simetrijos principus, o jų savybės (masė, polarizacijos, savitarpio sąveika) lemia jėgų pobūdį ir diapazonus.

Klausimai ir atsakymai

K: Kas yra matuojamieji bozonai?

K: Kiek yra gabaritinių bozonų rūšių?

K: Kurie gabaritiniai bozonai perneša silpnąją jėgą?

K: Kurie gabaritiniai bozonai valdo stipriąją jėgą?

K: Kurie gabaritiniai bozonai valdo elektromagnetinę jėgą?

K: Kaip vadinamas teorinis gravitacijos matuojamasis bozonas?

K: Kokia yra gabaritinių bozonų sukinio vertė?

Paieška pagal raidę