Gaugebosoner: definition, typer och deras roll i partikelfysiken

Upptäck gaugebosoner: definition, typer (W±, Z, gluoner, fotoner), deras roll i standardmodellen, Higgs-interaktion och gravitonens teori — en klar guide i partikelfysik.

Gaugebosoner är de partiklar som medierar (bär) de fundamentala växelverkningarna mellan andra partiklar. I partikelfysikens standardmodell finns tre huvudtyper av gaugebosoner (plus en hypotetisk för gravitationen som inte ingår i standardmodellen). De tre typerna som beskrivs i standardmodellen är följande:

1. W- och Z-bosoner, som bär den svaga kraften.

   W+- och W--bosonerna är elektriskt laddade medan Z0 är neutral. Dessa partiklar är tunga (av storleksordningen några tiotals GeV/c2; ungefär 80 GeV för W och 91 GeV för Z) vilket ger den svaga växelverkan dess korta räckvidd (ungefär 10^-18 meter). W- och Z-bosoner är centrala i processer som beta-sönderfall och i elektrosvaga växelverkningar; deras massa uppstår genom elektrosymmetribrott via Higgs-mekanismen.

2. Gluoner, som bär den starka kraften

   Gluoner förmedlar kvantkromodynamiken (QCD) och bär den så kallade färgladdningen. Det finns åtta oberoende gluontyper i standardmodellen. Gluoner är masslösa, har spinn 1 och är självväxelverkande (de bär själva färg), vilket leder till fenomen som färgkonfinement — fria gluoner observeras inte i experiment utan finns bundna i hadroner. Den starka kraftens styrka förändras med avstånd (asymptotisk frihet vid korta avstånd).

3. Fotoner, som bär den elektromagnetiska kraften.

   Fotonen är masslös och neutral med spinn 1, vilket gör den till en långväga bärare av elektromagnetisk växelverkan. Fotoner kan vara både reella (t.ex. ljuspartiklar) och virtuella (de utbyter elektromagnetisk kraft mellan laddade partiklar). Elektromagnetisk växelverkan följer ett abeliskt gauge-fält (U(1)), vilket betyder att fotoner inte bär elektrisk laddning och därför inte självväxelverkar på samma sätt som gluoner.

Den enda av de fyra klassiska fundamentala krafterna som saknar en etablerad mätboson i standardmodellen är gravitationen. Den teoretiska mätbosonen för gravitation kallas graviton i kvantteoretiska modeller; den skulle vara masslös och ha spinn 2. En påvisning av graviton eller en fullständig kvantteori för gravitation saknas fortfarande, och gravitationen behandlas i praktiken av allmän relativitet för klassiska och makroskopiska tillämpningar.

Alla gaugebosoner är bosoner, vilket innebär att flera sådana partiklar kan befinna sig i samma kvanttillstånd samtidigt och att de följer Bose–Einstein-statistik. Det betyder också att gaugebosoner vanligtvis har ett spinn som är ett heltal: de flesta gaugebosoner i standardmodellen har spinn 1. Den hypotetiska gravitonen skulle ha spinn 2, medan skalära partiklar som Higgsbosonen har spinn 0 men inte räknas som en gaugeboson.

Gaugebosoner är kvanta av bakomliggande fält (gaugefält) som följer lokala symmetrier — till exempel beskriver SU(3) gruppen den starka kraften (gluoner) och SU(2)×U(1) beskriver den elektrosvaga växelverkan (W, Z och fotonen efter symmetribrott). Massan hos vissa gaugebosoner (W och Z) förklaras av Higgsfältet genom spontan symmetribrott, medan masslösa gaugebosoner (foton, gluon) motsvarar oberoende kvarvarande gauge-symmetrier eller konfinementseffekter.

I praktiken dyker gaugebosoner upp både som verkliga partiklar (t.ex. producerade och detekterade fotoner eller W/Z i partikelkolliderare) och som virtuella partiklar som överför kraft mellan laddningar eller färger i växelverkningar. Deras egenskaper — massa, laddning, antal och självväxelverkan — bestämmer räckvidd och styrka för de respektive fundamentala krafterna och är därför centrala för vår förståelse av materiens och universums uppbyggnad.

Frågor och svar

F: Vad är gaugebosoner?

F: Hur många olika typer av gaugebosoner finns det?

F: Vilka gaugebosoner bär på den svaga kraften?

F: Vilka gaugebosoner bär den starka kraften?

F: Vilka gaugebosoner bär den elektromagnetiska kraften?

F: Vad kallas den teoretiska gaugebosonen för gravitation?

F: Vad är spinnvärdet för gauge-bosoner?

Sök med bokstav