En física de partículas , un bosón de calibre 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 calibre interactúan entre sí mediante el intercambio de bosones de calibre, generalmente como partículas virtuales .
Los fotones , los bosones W y Z y los gluones son bosones calibre. Todos los bosones de calibre conocidos tienen un espín de 1; a modo de comparación, el bosón de Higgs tiene espín cero y el gravitón hipotético tiene espín 2. Por lo tanto, todos los bosones calibre conocidos son bosones vectoriales .
Los bosones de calibre son diferentes de otros tipos de bosones: primero, los bosones escalares fundamentales (el bosón de Higgs); segundo, los mesones , que son bosones compuestos , formados por 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: fotones , que transportan la interacción electromagnética ; los bosones W y Z , que llevan la interacción débil ; y gluones , que llevan la interacción fuerte . [3]
Los gluones aislados no se producen porque tienen carga de color y están sujetos a confinamiento de color .
En una teoría de calibre cuantificada , los bosones de calibre son cuantos de los campos de calibre . En consecuencia, hay tantos bosones de calibre como generadores del campo de calibre. En electrodinámica cuántica , el grupo calibre es U(1) ; En este caso sencillo, sólo hay un bosón de calibre, el fotón. En cromodinámica cuántica , el grupo más complicado SU(3) tiene ocho generadores, correspondientes 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 calibre requiere que los bosones de calibre 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 calibre, violando la simetría de calibre. Por lo tanto, en un nivel teórico ingenuo, se requiere que todos los bosones de calibre carezcan de 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 mediante el mecanismo de Higgs . En el mecanismo de Higgs, los cuatro bosones de calibre (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 impregnado por un valor esperado de vacío de Higgs (VEV) distinto de cero . Este VEV se acopla a tres de los bosones calibre electrodébiles (W + , W − y Z), dándoles masa; el bosón de calibre restante permanece sin masa (el fotón). Esta teoría también predice la existencia de un bosón de Higgs escalar , que ha sido observado en experimentos en el LHC . [4]
El modelo de Georgi-Glashow predice bosones de calibre adicionales llamados bosones X e Y. Los hipotéticos bosones X e Y median en las interacciones entre quarks y leptones , violando así la conservación del número bariónico y provocando la desintegración de protones . Estos 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 los bosones X e Y. [ cita necesaria ]
La cuarta interacción fundamental, la gravedad , también puede ser llevada a cabo por un bosón, llamado gravitón . A falta de evidencia experimental y de una teoría matemáticamente coherente de la gravedad cuántica , se desconoce si se trataría de un bosón de calibre o no. El papel de la invariancia de calibre en la relatividad general lo desempeña una simetría similar [ se necesita aclaración ] : 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 ).
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