[科普中國(guó)]-規(guī)范玻色子

簡(jiǎn)介

規(guī)范玻色子是傳遞基本相互作用的媒介粒子，它們的自旋都為整數(shù)，屬于玻色子，它們?cè)诹Ｗ游锢韺W(xué)的標(biāo)準(zhǔn)模型內(nèi)都是基本粒子。

規(guī)范玻色子包括：

膠子-強(qiáng)相互作用的媒介粒子，自旋為1，有8種；

光子-電磁相互作用的媒介粒子，自旋為1，只有1種；

W 及 Z 玻色子-弱相互作用的媒介粒子，自旋為1，有3種；

引力子-引力相互作用的媒介粒子，自旋為2，只有1種。

標(biāo)準(zhǔn)模型預(yù)言的另外一種玻色子——希格斯粒子，不屬于規(guī)范玻色子。1

標(biāo)準(zhǔn)模型的規(guī)范玻色子粒子物理學(xué)的標(biāo)準(zhǔn)模型給出了三種標(biāo)準(zhǔn)玻色子：傳遞電磁相互作用的光子；傳遞弱相互作用的W及Z玻色子，和傳遞強(qiáng)相互作用的膠子。

單個(gè)膠子在低能狀態(tài)下無(wú)法存在，因?yàn)樗麄兊纳尚再|(zhì)，并且必須服從夸克禁閉。

規(guī)范玻色子的多樣性在量子化的規(guī)范場(chǎng)論中標(biāo)準(zhǔn)玻色子是規(guī)范場(chǎng)的量子。因此，規(guī)范玻色子的數(shù)量和規(guī)范場(chǎng)的生成元數(shù)量相當(dāng)。在量子電動(dòng)力學(xué)中，規(guī)范場(chǎng)是U(1)；在這一簡(jiǎn)單情形下，只有一個(gè)規(guī)范玻色子（光子）。在量子色動(dòng)力學(xué)中，規(guī)范場(chǎng)是更復(fù)雜的SU(3)，擁有八個(gè)生成元，因此對(duì)應(yīng)于八種膠子。在電弱相互作用理論中，SU(2)的三個(gè)生成元（大致）對(duì)應(yīng)于W及Z玻色子。

帶質(zhì)量的規(guī)范玻色子基于技術(shù)上的原因，規(guī)范不變性導(dǎo)致規(guī)范玻色子在數(shù)學(xué)上被描述為無(wú)質(zhì)量粒子的場(chǎng)方程。因此在單純的理論中，規(guī)范玻色子應(yīng)當(dāng)是無(wú)質(zhì)量的，相互作用應(yīng)當(dāng)是長(zhǎng)程的。這一觀點(diǎn)和弱相互作用是短程力的是實(shí)驗(yàn)結(jié)果相矛盾，因此需要更深入的理論見(jiàn)解。

根據(jù)標(biāo)準(zhǔn)模型，W及Z玻色子通過(guò)希格斯機(jī)制獲得質(zhì)量。在希格斯機(jī)制中，統(tǒng)一的電弱相互作用中四種玻色子（擁有SU(2)×U(1) 對(duì)稱(chēng)性）與希格斯場(chǎng)相耦合。根據(jù)場(chǎng)的勢(shì)能形狀，希格斯場(chǎng)會(huì)導(dǎo)致自發(fā)對(duì)稱(chēng)性破缺。因此，宇宙中彌散了非零的希格斯真空期望值。非零的真空期望值與電弱相互作用中的三個(gè)玻色子（W及Z玻色子）相耦合，給予它們質(zhì)量；剩下一個(gè)玻色子仍然是無(wú)質(zhì)量的（光子）。這一理論同時(shí)預(yù)言了標(biāo)量場(chǎng)希格斯粒子的存在；2012年7月4日?qǐng)?bào)道中，實(shí)驗(yàn)中觀測(cè)到了希格斯粒子。2

后標(biāo)準(zhǔn)模型大統(tǒng)一理論大統(tǒng)一理論預(yù)言新的規(guī)范玻色子，稱(chēng)為X及Y玻色子。假想中的X及Y玻色子直接與夸克和輕子相互作用，這會(huì)導(dǎo)致重子數(shù)守恒的違反，并導(dǎo)致質(zhì)子衰變。基于對(duì)稱(chēng)性破缺，這些玻色子可能會(huì)比W及Z玻色子的質(zhì)量更重。來(lái)自超級(jí)神岡中微子探測(cè)器的數(shù)據(jù)分析表明，目前暫無(wú)證據(jù)表明X及Y玻色子的存在。

引力子引力作為第四種相互作用，可能也是由被稱(chēng)為引力子的玻色子傳遞的。但是實(shí)驗(yàn)上尚無(wú)證據(jù)表明引力子的存在，數(shù)學(xué)上也沒(méi)有與量子引力相容的理論，因此我們不知道引力子是否為規(guī)范玻色子。廣義相對(duì)論中的規(guī)范不變性，可以由類(lèi)似的對(duì)稱(chēng)性來(lái)描述：微分流形不變性，又稱(chēng)廣義協(xié)變。3