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En física de partículas , un bosón de gauge es una partícula elemental bosónica que actúa como portador de fuerza para fermiones elementales . [ 1 ] [ 2 ] Las partículas elementales cuyas interacciones se describen mediante una teoría de gauge interactúan entre sí mediante el intercambio de bosones de gauge, generalmente como partículas virtuales .
Los fotones , los bosones W y Z , y los gluones son bosones de gauge. Todos los bosones de gauge conocidos tienen un espín de 1 y, por lo tanto, son bosones vectoriales . En comparación, el bosón de Higgs tiene espín cero y el hipotético gravitón tiene un espín de 2.
Los bosones de gauge son diferentes de los otros tipos de bosones: primero, los bosones escalares fundamentales (el bosón de Higgs); segundo, los mesones , que son bosones compuestos , hechos de quarks ; tercero, bosones compuestos más grandes, que no portan fuerza, como ciertos átomos .
Bosones de gauge en el Modelo Estándar
El Modelo Estándar de la física de partículas reconoce cuatro tipos de bosones de gauge: fotones , que transportan la interacción electromagnética ; bosones W y Z, que transportan la interacción débil ; y gluones , que transportan la interacción fuerte . [ 3 ]
Los gluones aislados no se producen porque tienen carga de color y están sujetos al confinamiento de color .
Multiplicidad de bosones de gauge
En una teoría de gauge cuantizada , los bosones de gauge son cuantos de los campos de gauge . Por consiguiente, hay tantos bosones de gauge como generadores del campo de gauge. En electrodinámica cuántica , el grupo de gauge es U(1) ; en este caso simple, solo hay un bosón de gauge, el fotón. En cromodinámica cuántica , el grupo más complejo SU(3) tiene ocho generadores, que corresponden a los ocho gluones. Los tres bosones W y Z corresponden (aproximadamente) a los tres generadores de SU(2) en la teoría electrodébil .
bosones de gauge masivos
La invariancia de gauge requiere que los bosones de gauge se describan matemáticamente mediante ecuaciones de campo para partículas sin masa. De lo contrario, los términos de masa añaden términos adicionales no nulos al lagrangiano bajo transformaciones de gauge, violando la simetría de gauge. Por lo tanto, a nivel teórico ingenuo, se requiere que todos los bosones de gauge sean sin masa y que las fuerzas que describen tengan un largo alcance. La contradicción entre esta idea y la evidencia experimental de que las interacciones débil y fuerte tienen un alcance muy corto requiere una mayor comprensión teórica.
Según el Modelo Estándar, los bosones W y Z ganan masa mediante el mecanismo de Higgs . En este mecanismo, los cuatro bosones de gauge (de simetría SU(2)×U(1)) de la interacción electrodébil unificada se acoplan a un campo de Higgs . Este campo experimenta una ruptura espontánea de simetría debido a la forma de su potencial de interacción. Como resultado, el universo está impregnado por un valor esperado del vacío de Higgs (VEV) distinto de cero. Este VEV se acopla a tres de los bosones de gauge electrodébiles (W + , W− y Z), otorgándoles masa; el bosón de gauge restante permanece sin masa (el fotón). Esta teoría también predice la existencia de un bosón de Higgs escalar , que se ha observado en experimentos en el LHC . [ 4 ]
Más allá del modelo estándar
teorías de la gran unificación
El modelo de Georgi-Glashow predice bosones de gauge adicionales denominados bosones X e Y. Estos hipotéticos bosones X e Y median las interacciones entre quarks y leptones , violando así la conservación del número bariónico y provocando la desintegración del protón . Dichos bosones serían incluso más masivos que los bosones W y Z debido a la ruptura de simetría . El análisis de datos recopilados de fuentes como el detector de neutrinos Super-Kamiokande no ha arrojado evidencia de la existencia de bosones X e Y. [ 5 ]
Gravitones
La cuarta interacción fundamental, la gravedad , también puede ser transportada por un bosón, llamado gravitón. En ausencia de evidencia experimental y de una teoría matemáticamente coherente de la gravedad cuántica , se desconoce si se trataría de un bosón de gauge o no. El papel de la invariancia de gauge en la relatividad general lo desempeña una simetría similar: la invariancia de difeomorfismo .
bosones W′ y Z′
Los bosones W′ y Z′ hacen referencia a hipotéticos nuevos bosones de gauge (nombrados por analogía con los bosones W y Z del Modelo Estándar).
Véase también
Referencias
- ↑ Gribbin, John ; Gribbin, Mary; Gribbin, Jonathan (2000). Q de cuántico: una enciclopedia de física de partículas . Nueva York, Nueva York: Free Press . ISBN 978-0-684-85578-3.
- ↑ Clark, John Owen Edward, ed. (2004). El diccionario esencial de la ciencia . Nueva York: Barnes & Noble Books . ISBN 978-0-7607-4616-5.
- ↑ Veltman, Martinus JG (2003). Hechos y misterios en la física de partículas elementales . River Edge, Nueva Jersey: World Scientific . ISBN 978-981-238-148-4.
- ↑ "El CERN y el bosón de Higgs" . CERN . Octubre de 2013. Archivado del original el 23 de noviembre de 2016. Consultado el 23 de noviembre de 2016 .
- ↑ Matsumoto, R. (octubre de 2022). "Búsqueda de la desintegración del protón a través de $p \rightarrow \mu^+ K^0$ en una exposición de 0,37 megatones-años de Super-Kamiokande" . Physical Review D. 106 ( 7) 072003. Colaboración Super-Kamiokande. Sociedad Estadounidense de Física. doi : 10.1103/PhysRevD.106.072003 . hdl : 11577/3482321 .
Enlaces externos
- Explicación del bosón de gauge y los campos de gauge por Christopher T. Hill
- bosones
- bosones de gauge
- Física de partículas