Gauge bosony jsou nosnými částicemi tří ze čtyř základních sil. Ve standardním modelu částicové fyziky existují čtyři druhy měřicích bosonů. Tři měřítkové bosony jsou následující:

  1. W a Z bosony, které přenášejí slabou sílu.
  2. Gluony, které přenášejí silnou sílu
  3. Fotony, které přenášejí elektromagnetickou sílu.

Jedinou zbývající fundamentální silou, která nemá známý měřicí boson, je gravitace. Teoretický měřicí boson pro gravitaci se nazývá graviton.

Všechny měřítkové bosony jsou bosony, což jednoduše znamená, že na rozdíl od fermionů mohou dva nebo více z nich existovat na stejném místě současně. Bosony obecně mají celočíselný spin (0, 1, 2 ...). Měřicí bosony ve standardním modelu — fotony, gluony, W a Z — mají spin 1. Graviton, pokud existuje, by byl boson se spinem 2.

Předpokládá se, že gauge bosony interagují s Higgsovým polem. Mnozí vědci se domnívají, že toto teoretické pole je zodpovědné za to, že některé měřítkové bosony - například bosony W a Z - mají hmotnost, zatímco jiné - například fotony - hmotnost nemají.

Základní principy a souvislosti

  • Gauge symetrie: Gauge bosony vznikají z lokálních (gaugeských) symetrií teorii. Standardní model je postaven na symetriích U(1)×SU(2)×SU(3), přičemž každé z těchto symetrií odpovídá jednomu typu měřicích polí a jejich nositelům (fotonu pro U(1)em, W/Z pro SU(2) electroweak, gluonům pro SU(3) silné interakce).
  • Interakce a nosiče náboje: Měřicí bosony přenášejí síly tím, že "přenášejí" příslušný typ náboje (elektrický náboj, slabý izospin, barevný náboj). Silová síla mezi částicemi se manifestuje výměnou těchto bosonů.
  • Délka dosahu síly: Rozsah síly úzce souvisí s hmotností bosonu: masívní nositelé (W, Z) vedou k velmi krátkému dosahu slabé interakce, zatímco bezhmotné nosiče (fotony, gluony v teoretickém smyslu) mohou zprostředkovat dlouhodobé efekty — u gluonů ale nastupuje jev konfinementu, takže volné gluony v přírodě nepozorujeme.

Vlastnosti jednotlivých měřicích bosonů

  • Fotony — bezhmotné částice se spinem 1, nositelé elektromagnetické interakce. Elektromagnetická síla má nekonečný dosah a její kvantum (fotón) se nepodílí na vlastní interakci, protože U(1)em je abelovská symetrie.
  • Gluony — osmička barevných nositelů silné interakce (QCD). Jsou to bezhmotné bosony se spinem 1, ale na rozdíl od fotonů si nesou barevný náboj, takže se navzájem přímo interagují (self-interakce). To vede k jevům jako konfinement (kvarky a gluony jsou uvězněny v hadronech) a asymptotická volnost (při velmi vysokých energiích se interakce zeslabuje).
  • W a Z bosony — masivní (W+, W−, Z0) nositelé slabé interakce. Jejich velká hmotnost způsobuje, že slabá síla má velmi krátký dosah (~10^−18 m). W bosony jsou nabité a mění typy fermionů (flavour changing), což umožňuje například beta rozpad; Z boson je neutrální a zprostředkovává neutrální proudy.
  • Graviton (hypotetický) — v kvantových teoriích gravitace se předpokládá bezhmotný boson se spinem 2, který by byl nositelem gravitační interakce. Gravitační kvantová teorie je však zatím neuzavřená a graviton nebyl experimentálně zjištěn.

Hmotnost a Higgsův mechanismus

Ve standardním modelu získávají W a Z svou hmotnost prostřednictvím Higgsova pole a mechanismu spontánního zlomění elektroslabé symetrie. Po rozbití SU(2)×U(1)_Y se z původních gauge polí vytvoří masivní W± a Z0 a zároveň zbývá nezlomená kombinace odpovídající fotonu, který tak zůstává hmotný. Tento mechanismus vysvětluje, proč některé gauge bosony mají hmotnost a jiné ne, bez porušení gauge invariantnosti teorie.

Experimentální poznatky a další možnosti

  • W a Z byly poprvé přímo detekovány v roce 1983 v experimentech UA1 a UA2 v CERNu. Evidence gluonu přišla z třijetových událostí v urychlovačích (PETRA) na konci 70. let a v 80. letech; fotony jsou samozřejmě široce pozorovatelné v celé fyzice.
  • V důsledku neabelovských vlastností SU(3) mohou gluony vytvářet komplikované svazky a vedou k bohaté spektroskopii hadronů. Experimentální studie QCD, srážky v urychlovačích a pozorování jetů jsou hlavními zdroji našich znalostí o gluonech.
  • Mimo standardní model se uvažuje o dalších gauge bozonych (např. Z′ nebo W′ v některých modelech velkého sjednocení či v teoriích s dodatečnými symetriemi). Tyto částice dosud nebyly potvrzeny a jejich hledání je aktivní oblastí výzkumu na urychlovačích, jako je LHC.

Souhrn: Gauge bosony jsou kvanty polí, která vycházejí z gaugeských symetrií standardního modelu a fungují jako přenašeče interakcí mezi základními částicemi. Jejich vlastnosti (hmotnost, spin, náboj, zda se vzájemně interagují) určují charakter dané síly — například její dosah, intenzitu a typy procesů, které umožňuje.