[科普中国]-规范玻色子

简介

规范玻色子是传递基本相互作用的媒介粒子，它们的自旋都为整数，属于玻色子，它们在粒子物理学的标准模型内都是基本粒子。

规范玻色子包括：

胶子-强相互作用的媒介粒子，自旋为1，有8种；

光子-电磁相互作用的媒介粒子，自旋为1，只有1种；

W 及 Z 玻色子-弱相互作用的媒介粒子，自旋为1，有3种；

引力子-引力相互作用的媒介粒子，自旋为2，只有1种。

标准模型预言的另外一种玻色子——希格斯粒子，不属于规范玻色子。1

标准模型的规范玻色子粒子物理学的标准模型给出了三种标准玻色子：传递电磁相互作用的光子；传递弱相互作用的W及Z玻色子，和传递强相互作用的胶子。

单个胶子在低能状态下无法存在，因为他们的色荷性质，并且必须服从夸克禁闭。

规范玻色子的多样性在量子化的规范场论中标准玻色子是规范场的量子。因此，规范玻色子的数量和规范场的生成元数量相当。在量子电动力学中，规范场是U(1)；在这一简单情形下，只有一个规范玻色子（光子）。在量子色动力学中，规范场是更复杂的SU(3)，拥有八个生成元，因此对应于八种胶子。在电弱相互作用理论中，SU(2)的三个生成元（大致）对应于W及Z玻色子。

带质量的规范玻色子基于技术上的原因，规范不变性导致规范玻色子在数学上被描述为无质量粒子的场方程。因此在单纯的理论中，规范玻色子应当是无质量的，相互作用应当是长程的。这一观点和弱相互作用是短程力的是实验结果相矛盾，因此需要更深入的理论见解。

根据标准模型，W及Z玻色子通过希格斯机制获得质量。在希格斯机制中，统一的电弱相互作用中四种玻色子（拥有SU(2)×U(1) 对称性）与希格斯场相耦合。根据场的势能形状，希格斯场会导致自发对称性破缺。因此，宇宙中弥散了非零的希格斯真空期望值。非零的真空期望值与电弱相互作用中的三个玻色子（W及Z玻色子）相耦合，给予它们质量；剩下一个玻色子仍然是无质量的（光子）。这一理论同时预言了标量场希格斯粒子的存在；2012年7月4日报道中，实验中观测到了希格斯粒子。2

后标准模型大统一理论大统一理论预言新的规范玻色子，称为X及Y玻色子。假想中的X及Y玻色子直接与夸克和轻子相互作用，这会导致重子数守恒的违反，并导致质子衰变。基于对称性破缺，这些玻色子可能会比W及Z玻色子的质量更重。来自超级神冈中微子探测器的数据分析表明，目前暂无证据表明X及Y玻色子的存在。

引力子引力作为第四种相互作用，可能也是由被称为引力子的玻色子传递的。但是实验上尚无证据表明引力子的存在，数学上也没有与量子引力相容的理论，因此我们不知道引力子是否为规范玻色子。广义相对论中的规范不变性，可以由类似的对称性来描述：微分流形不变性，又称广义协变。3