Векторные бозоны

Помимо фундаментальных фермионов, являющихся основными «кир­пичиками» материи, известны из опыта еще 4 векторных (s= 1) бозона, являющихся переносчиками основных взаимодействий: фо­тон γ, глюон g, нейтральный слабый бозон Z⁰ и заряженные слабые бозо­ны W^± (являющиеся античастицами по отношению друг к другу). Основ­ные свойства этих частиц приведены в таблице 3.

Таблица 3. Фундаментальные бозоны, их массы и ширины

Лучше всего изучены, естественно, фотоны. Это радиоволны, свет, рентгеновские и γ - лучи. Масса фотона равна нулю, так что энергетический спектр свободного фотона (закон дисперсии) имеет вид:

Е= ћc | k |.

Фотоны с

Е ≠ ћc | k |

называются виртуальными, например кулоновское поле в атоме водорода создают виртуальные фотоны с

ћ²c² k ² >> Е².

Источни­ком фотонов является электрический заряд. Соответствующая безразмерная константа взаимодействия - известная постоянная тонкой структуры

α = е² / ћc~ 1/137.

Все электромагнитные взаимодействия обусловлены об­меном фотонами.

Теория, описывающая электромагнитные взаимодействия, называется квантовой электродинамикой (КЭД). Здесь выписываются в явном виде ћи с, но обычно переходят на естественную для квантовой теории поля систему единиц ћ= с = 1. Свойства и правила работы в такой системе прекрасно описаны в литературе. Когда это нужно, ћи с легко восстановить.

Массивные векторные бозоны Z и W^± являются переносчиками короткодействующего слабого взаимодействия. Вместе с фотоном они входят в единую группу электрослабого взаимодействия. Соответствующие безразмерные константы взаимодействия

α_w = g_w² / ћc~ α_Z = g_Z² / ћc~ α,

т. е. порядка электромагнитной константы.

Глюоны являются переносчиками сильного взаимодействия. Источ­никами глюонов являются специфические «цветовые» заряды. Каждый из 6 сортов кварков (или, как говорят, «ароматов») u, d, с, s, t, bсуществует в трех цветовых разновидностях: красной r, зеленой g, синей b. Антикварки обладают соответствующими антицветами: ˉr, ˉg, ˉb. Цвета кварков не зависят от их ароматов. Адроны состоят из симметричных или противоположных по цвету комбинаций кварков - они «белые», их цвет равен нулю. С учетом античастиц, кварков 12, а с учетом цвета - 36. Но для каждого аромата речь идет просто о разных по цвету состояниях одной частицы. Цветовая симметрия является точной.

Цветовые состояния глюонов сложнее. Глюон имеет не один цвето­вой индекс, а два. Всего имеется 8 цветных глюонов: 3x3=8+1, одна комбинация rˉr+gˉg+bˉbявляется белой и не несет цветового заряда. В от­личие от электродинамики, где фотоны электрически нейтральны, глюоны, как носители цветовых зарядов, взаимодействуют и с кварками, и между собой, т.е. излучают и поглощают новые глюоны («светящийся свет»). Эта особенность является одной из причин конфайнмента: при попытке разве­сти кварки и глюоны их энергия возрастает, что и приводит к невылетанию кварков. Теория взаимодействия кварков называется квантовой хромодина-микой (КХД).