En física de partículas , un bosón de gauge es una partícula elemental bosónica que actúa como portador de fuerza para los 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 calibración. Todos los bosones de calibración conocidos tienen un espín de 1; a modo de comparación, el bosón de Higgs tiene espín cero y el hipotético gravitón tiene un espín de 2. Por lo tanto, todos los bosones de calibración conocidos son bosones vectoriales .
Los bosones de calibre 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 transportan fuerza, como ciertos átomos .
El modelo estándar de física de partículas reconoce cuatro tipos de bosones de calibre: los fotones , que llevan la interacción electromagnética ; los bosones W y Z , que llevan la interacción débil ; y los gluones , que llevan la interacción fuerte . [3]
Los gluones aislados no se producen porque están cargados de color y están sujetos al confinamiento de color .
En una teoría de gauge cuantizada , los bosones de gauge son cuantos de los campos de gauge . En consecuencia, 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 complicado 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 .
La invariancia de gauge requiere que los bosones gauge se describan matemáticamente mediante ecuaciones de campo para partículas sin masa. De lo contrario, los términos de masa agregan términos adicionales distintos de cero al lagrangiano bajo transformaciones de gauge, violando la simetría de gauge. Por lo tanto, a un nivel teórico ingenuo, se requiere que todos los bosones gauge no tengan masa y que las fuerzas que describen sean de largo alcance. El conflicto entre esta idea y la evidencia experimental de que las interacciones débiles y fuertes tienen un alcance muy corto requiere una mayor comprensión teórica.
Según el Modelo Estándar, los bosones W y Z ganan masa a través del mecanismo de Higgs . En el mecanismo de Higgs, 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 sufre una ruptura espontánea de simetría debido a la forma de su potencial de interacción. Como resultado, el universo está permeado por un valor de expectativa de vacío (VEV) de Higgs distinto de cero. Este VEV se acopla a tres de los bosones de gauge electrodébiles (W + , W − y Z), lo que les otorga 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]
El modelo de Georgi-Glashow predice bosones de calibración adicionales llamados bosones X e Y. Los hipotéticos bosones X e Y median las interacciones entre quarks y leptones , violando así la conservación del número bariónico y causando la desintegración de protones . Dichos bosones serían incluso más masivos que los bosones W y Z debido a la ruptura de la simetría . El análisis de los datos recopilados de fuentes como el detector de neutrinos Super-Kamiokande no ha arrojado evidencia de bosones X e Y. [ cita requerida ]
La cuarta interacción fundamental, la gravedad , también puede ser transportada por un bosón, llamado gravitón . En ausencia de evidencia experimental y una teoría matemáticamente coherente de la gravedad cuántica , se desconoce si este sería un bosón de norma o no. El papel de la invariancia de norma en la relatividad general lo desempeña una simetría similar [ aclaración necesaria ] : la invariancia del difeomorfismo .
Los bosones W′ y Z′ se refieren a nuevos bosones de calibre hipotéticos (nombrados en analogía con los bosones W y Z del Modelo Estándar ).