Калибровочные бозоны являются квантами калибровочных полей и служат переносчиками фундаментальных взаимодействий в Стандартной модели физики частиц. Их существование напрямую вытекает из симметрий лагранжиана и требований калибровочной инвариантности. Эти бозоны обеспечивают взаимодействие между фермионами и, в некоторых случаях, между собой. Различные типы калибровочных бозонов связаны с определёнными калибровочными группами: U(1), SU(2), SU(3), лежащими в основе электрослабой и сильной теорий.
Калибровочная группа: U(1)_Y
Электромагнитное взаимодействие описывается квантовой электродинамикой (КЭД), где калибровочная инвариантность по группе U(1) порождает безмассовый бозон — фотон (γ).
Фотон взаимодействует только с заряженными частицами, причем сила взаимодействия пропорциональна электрическому заряду. Он не взаимодействует сам с собой, поскольку группа U(1) абелева, и, следовательно, коммутаторы генераторов тривиальны.
Калибровочная группа: SU(2)_L × U(1)_Y После спонтанного нарушения симметрии — электрослабое объединение
Слабое взаимодействие, в отличие от электромагнитного, осуществляется массивными калибровочными бозонами: W⁺, W⁻ и Z⁰, появляющимися после спонтанного нарушения симметрии посредством механизма Хиггса.
Бозон W⁺ и W⁻
Бозон Z⁰
Эти бозоны передают слабое взаимодействие, которое действует на фермионы левых хиральностей. В отличие от фотона, они взаимодействуют не только с заряженными, но и с нейтральными частицами. Бозоны W отвечают за заряженные токи, Z — за нейтральные.
Калибровочные поля до нарушения симметрии — Wμ1, Wμ2, Wμ3 (из SU(2)_L) и Bμ (из U(1)_Y). После диагонализации и взаимодействия с полем Хиггса возникают физические поля:
Появление масс у W и Z связано с тем, что калибровочная симметрия SU(2)_L × U(1)_Y спонтанно нарушается скалярным полем Хиггса, обладающим ненулевым вакуумным средним значением.
Калибровочная группа: SU(3)_C
Квантовая хромодинамика (КХД), описывающая сильное взаимодействие, использует калибровочную группу SU(3)_C, симметрию “цветового” заряда. Из неё возникает 8 безмассовых бозонов — глюонов, отвечающих за перенос сильного взаимодействия между кварками.
Каждый глюон несёт одновременно цвет и антицвет, что делает возможным их самовзаимодействие — важнейшее отличие от фотонов. Это объясняется неабелевой природой группы SU(3), в которой генераторы не коммутируют:
[Ta, Tb] = ifabcTc
где fabc — структурные константы группы.
Такое самодействие приводит к эффекту конфайнмента: глюоны и кварки не могут быть изолированы и наблюдаются только в виде связных состояний — адронов.
Кроме того, в отличие от других калибровочных бозонов, глюоны никогда не покидают адроны. Свободные глюоны в природе не наблюдаются, а проявление их присутствия — это, например, струи в коллайдерных экспериментах (jet physics).
Калибровочные бозоны, особенно в неабелевых теориях, могут взаимодействовать между собой. Это проявляется в:
Эти вершины выходят из соответствующих лагранжианов калибровочных теорий. Для SU(2) и SU(3) они включают нелинейные члены вида:
$$ \mathcal{L}_{\text{YM}} = -\frac{1}{4} F^a_{\mu\nu} F^{a\,\mu\nu}, \quad F^a_{\mu\nu} = \partial_\mu A^a_\nu - \partial_\nu A^a_\mu + g f^{abc} A^b_\mu A^c_\nu $$
Такие взаимодействия поддаются экспериментальной проверке и являются одним из ключевых подтверждений правильности структуры Стандартной модели.
| Бозон | Масса (ГэВ) | Спин | Заряд | Взаимодействие | Самодействие |
|---|---|---|---|---|---|
| γ (фотон) | 0 | 1 | 0 | Электромагнитное | Нет |
| W⁺, W⁻ | 80.4 | 1 | ±1 | Слабое (заряженные токи) | Да |
| Z⁰ | 91.2 | 1 | 0 | Слабое (нейтральный ток) | Да |
| Глюоны | 0 | 1 | 0 | Сильное (цвет) | Да |
Калибровочные бозоны являются ключевым элементом построения великих объединённых теорий (GUT) и теорий суперсимметрии, где группы SU(3)_C × SU(2)_L × U(1)_Y объединяются в более высокие симметрии (например, SU(5), SO(10)).
В этих теориях появляются дополнительные калибровочные бозоны, например X и Y-бозоны, которые могут передавать процессы, нарушающие сохранение барионного или лептонного числа (например, протонный распад). Однако их масса предполагается близкой к масштабу объединения (~10¹⁵–10¹⁶ ГэВ), и они недоступны для современных ускорителей.
Калибровочные теории не допускают наличия масс для бозонов без нарушения симметрии. Чтобы совместить наличие массивных W и Z с калибровочной инвариантностью, в Стандартной модели используется механизм Хиггса: скалярное поле приобретает ненулевое вакуумное значение, тем самым нарушая симметрию SU(2)_L × U(1)_Y, но оставляя U(1)_{EM} неповреждённой.
Массы калибровочных бозонов определяются через параметры взаимодействия с полем Хиггса:
$$ m_W = \frac{1}{2} g v, \quad m_Z = \frac{1}{2} \sqrt{g^2 + g'^2} \, v $$
где v ≈ 246 ГэВ — вакуумное значение поля Хиггса.
Эти открытия подтвердили предсказания теории и сделали калибровочные бозоны краеугольным камнем всей физики элементарных частиц.