Kas ir mērījumu bozoni — W, Z, fotoni un gluoni Standarta modelī

Uzzini, kas ir mērījumu bozoni: W, Z, fotoni un gluoni Standarta modelī — to loma, masa un mijiedarbības ar Higsa lauku vienkāršā, saprotamā skaidrojumā.

Mērījumu (gabarīt) bozoni ir daļiņas, kas pārnēsā fundamentālās mijiedarbības starp elementārdaļiņām. Daļiņu fizikas standartmodelī šīs daļiņas sauc par gabarītbozoniem (gauge bosons) — tie ir trīs no četriem fundamentālajiem spēkiem nesošajām daļiņām, kas nodrošina elektromagnētisko, spēcīgo un vāju mijiedarbību.

1. W un Z bozoni, kas ir vājā spēka nesēji.

   W bozoni pastāv kā W+ un W− (lādiņus nesošas daļiņas), bet Z bozonam ir neitrāla lādiņa (Z0). Tie ir masīvi, īsā darbības rādiusa mijiedarbības nesēji, kas ir atbildīgi, piemēram, par beta sabrukšanas procesiem kodolos un par vājās mijiedarbības pazīmēm, piemēram, lādiņa maiņu. W un Z masas eksperimentāli mērītas: W ~ 80.4 GeV/c², Z ~ 91.2 GeV/c², un to masas rodas caur Higsa lauka mijiedarbību (skat. zemāk).

2. Gluoni, kas pārnēsā spēcīgo spēku

   Gluoni ir spēcīgā spēka (kvarku un barjonu savienošanās) nesēji, saistīti ar krāsu lādiņiem. Standartmodelī gluoniem ir 8 neatkarīgas krāsu kombinācijas (oktets). Tie ir masu nesoši tikai teorētiski bez masas — gluoni tiek uzskatīti par masām bezmasa bozoniem ar spin 1, tomēr tie nekad netiek novēroti brīvā stāvoklī sakarā ar krāsu konfīmentāciju (color confinement). Spēcīgajai mijiedarbībai piemīt asimptotiska brīvība — īsos attālumos kvarki un gluoni mijiedarbojas vāji, bet lielos attālumos spēks kļūst ļoti spēcīgs.

3. Fotoni, kas ir elektromagnētiskā spēka nesēji.

   Fotons ir elektromagnētiskās mijiedarbības nesējs, bezmasas daļiņa ar spin 1. Tā bezmasas raksturs nodrošina elektromagnētiskā spēka garā darbības rādiusu (gaisma un radioviļņi var izplatīties uz bezgalīgi lieliem attālumiem bez eksponenciālas ievilkšanās). Fotoni mijiedarbojas ar lādiņiem, un to īpašības ir labi aprakstītas kvantu elektrodinamikā (QED).

Gravitācija un gravitons

Vienīgais no fundamentālajiem spēkiem, kuram Standartmodelī nav iekļauts pārnēsājošs bozonu apraksts, ir gravitācija. Teorētiski gravitācijas mērījumu bozonu sauc par gravitonu — šādam bozonam būtu spin 2 un tam droši vien būtu nulles masa, tomēr gravitona eksistence nav eksperimentāli pierādīta un kvantu gravitācijas pilnīgs teorētisks apraksts vēl nav izstrādāts.

Par bozoniem un spinu

Visi gabarītbozoni pieder pie bozoniem, kas nozīmē, ka tie pakļaujas Bose–Einšteina statistikām — vairāki bozoni var atrasties tajā pašā kvantu stāvoklī vienlaikus, atšķirībā no fermijoniem, kuriem darbojas Pauli izslēgšanas princips. Bozoniem ir vesela (integer) spina; konkrēti Standartmodela gabarītbozoni (fotons, gluoni, W un Z) ir vektora bozoni ar spinu 1. Higsa bozonam ir spin 0 (skalārs bozon), bet hipotētiskajam gravitonam būtu spin 2.

Higsa lauks un masu rašanās

Tiek uzskatīts, ka gabarītbozoni mijiedarbojas ar Higsa lauku. Higsa mehānisms skaidro, kā daļiņas iegūst masu: elektronelementa (elektro–vājajā) simetrijas spontāna rūsēšana rada masīvās W un Z daļiņas, kamēr fotonam kā simetrijas nepārtraukuma ģeneratoram masa saglabājas nulles. Tā rezultātā daļiņu masa var rasties bez simetrijas explicit iznīcināšanas teorijas formulējumā.

Papildus īpašības un īsi fakti

• Gluoni: ir 8 krāsu stāvokļi; tie mijiedarbojas arī savā starpā (jo nes katru krāsu lādiņu), kas atšķir spēcīgo mijiedarbību no elektromagnētiskās, kur fotoni savā starpā nemijiedarbojas.
• W un Z: izraisa gan lādiņa maiņu (W), gan neitrālus strāvas kanālus (Z), un vājajā mijiedarbībā ir svarīga paritātes (P) un lādiņa–paritātes (CP) simetriju iznīcināšana dažos procesos.
• Fotoni: bezmasas dēļ rada ilggadīgu, tālu darbības rādiusu; to polarizācija ir saistīta ar spinprojekcijām ±1.
• Konfīmentācija un asimptotiskā brīvība nodrošina, ka gluoni un kvarki brīvā veidā neparādās, bet eksperimentāli redzamas ir tikai krāsaini neitrālas kombinācijas (hadroni).

Šie aspekti — gabarītbozonu loma, to mijiedarbība ar Higsa lauku un mijiedarbību īpatnības — veido Standartmodela centrālo daļu. Lai gan Standartmodelis ļoti precīzi apraksta trīs mijiedarbības, kvantu gravitācijas un potenciālo jaunās fizikas (piemēram, tumšās matērijas, neizskaidrotas masas hierarhijas utt.) jautājumi joprojām gaida papildu teorētisku un eksperimentālu izskaidrojumu.

Jautājumi un atbildes

J: Kas ir mērījumu bozoni?

J: Cik ir gabarītbozonu veidu?

J: Kuriem gabarītbozoniem piemīt vājais spēks?

J: Kuriem gabarītbozoniem piemīt stiprais spēks?

J: Kuriem gabarītbozoniem piemīt elektromagnētiskais spēks?

J: Kā sauc teorētisko gravitācijas mērījumu bozonu?

J: Kāda ir gabarītbozonu spina vērtība?

Meklēt pēc burta