Boson de jauge - Gauge boson
En physique des particules , un boson de jauge est une particule élémentaire bosonique qui intervient dans les interactions entre les fermions élémentaires , et agit donc comme un porteur de force . Les bosons de jauge peuvent être porteurs de n'importe laquelle des quatre interactions fondamentales de la nature. Les particules élémentaires, dont les interactions sont décrites par une théorie de jauge , interagissent entre elles par l'échange de bosons de jauge ; généralement sous forme de particules virtuelles .
Les photons , les bosons W et Z , les gluons et les gravitons hypothétiques sont des bosons de jauge. Tous les bosons de jauge connus ont un spin de 1 ; à titre de comparaison, le boson de Higgs a un spin zéro. Par conséquent, tous les bosons de jauge connus sont des bosons vecteurs .
Les bosons de jauge sont différents des autres types de bosons : d'abord, les bosons scalaires fondamentaux (le boson de Higgs) ; deuxièmement, les mésons , qui sont des bosons composites , constitués de quarks ; troisièmement, des bosons composites plus grands, non porteurs de force, tels que certains atomes .
Les bosons de jauge dans le modèle standard
Le modèle standard de la physique des particules reconnaît quatre types de bosons de jauge : les photons , qui transportent l' interaction électromagnétique ; les bosons W et Z , qui portent l' interaction faible ; et les gluons , qui portent l' interaction forte .
Les gluons isolés ne se produisent pas car ils sont chargés de couleur et soumis à un confinement de couleur .
Multiplicité des bosons de jauge
Dans une théorie de jauge quantifiée , les bosons de jauge sont des quanta des champs de jauge . Par conséquent, il y a autant de bosons de jauge qu'il y a de générateurs de champ de jauge. En électrodynamique quantique , le groupe de jauge est U (1) ; dans ce cas simple, il n'y a qu'un seul boson de jauge, le photon. En chromodynamique quantique , le groupe plus compliqué SU (3) a huit générateurs, correspondant aux huit gluons. Les trois bosons W et Z correspondent (approximativement) aux trois générateurs de SU (2) en théorie électrofaible .
Bosons de jauge massifs
Pour des raisons techniques impliquant l' invariance de jauge , les bosons de jauge sont décrits mathématiquement par des équations de champ pour les particules sans masse. Par conséquent, à un niveau théorique naïf, tous les bosons de jauge doivent être sans masse et les forces qu'ils décrivent doivent être à longue portée. Le conflit entre cette idée et la preuve expérimentale que les interactions faibles et fortes ont une portée très courte nécessite un approfondissement théorique.
Selon le modèle standard, les bosons W et Z gagnent en masse via le mécanisme de Higgs . Dans le mécanisme de Higgs, les quatre bosons de jauge (de symétrie SU (2) × U (1)) de l' interaction électrofaible unifiée se couplent à un champ de Higgs . Ce champ subit une brisure de symétrie spontanée en raison de la forme de son potentiel d'interaction. En conséquence, l'univers est imprégné d'une valeur d'espérance de vide de Higgs (VEV) non nulle . Ce VEV se couple à trois des bosons de jauge électrofaible (les Ws et Z), leur donnant une masse ; le boson de jauge restant reste sans masse (le photon). Cette théorie prédit également l'existence d'un boson de Higgs scalaire , qui a été observé lors d'expériences au LHC .
Au-delà du modèle standard
Les théories de la grande unification
Le modèle Georgi-Glashow prédit des bosons de jauge supplémentaires nommés bosons X et Y . Les hypothétiques bosons X et Y assurent la médiation des interactions entre les quarks et les leptons , violant ainsi la conservation du nombre de baryons et provoquant la désintégration du proton . De tels bosons seraient encore plus massifs que les bosons W et Z en raison de la brisure de la symétrie . L'analyse des données recueillies à partir de sources telles que le détecteur de neutrinos Super-Kamiokande n'a révélé aucune preuve de bosons X et Y.
Gravitons
La quatrième interaction fondamentale, la gravité , peut également être portée par un boson, appelé le graviton . En l'absence de preuves expérimentales et d'une théorie mathématiquement cohérente de la gravité quantique , on ne sait pas s'il s'agirait d'un boson de jauge ou non. Le rôle de l' invariance de jauge en relativité générale est joué par une symétrie similaire : le difféomorphisme invariance .
Les bosons W' et Z'
Les bosons W' et Z' font référence à de nouveaux bosons de jauge hypothétiques (nommés par analogie avec les bosons W et Z du modèle standard ).
Voir également
- 1964 papiers de rupture de symétrie PRL
- boson
- Boule de colle
- Chromodynamique quantique
- Électrodynamique quantique