规范对称性与场论

规范玻色子

/ gayj BOH-zon /

当两个人来回传一只沉重的健身球时,投与接的动作会把他们推开——这是他们之间的一种力,由一个在中间来往的物体携带。粒子物理借用了这幅图:粒子之间的力由特殊的“中间人”粒子携带,而那些由规范对称性产生的,就叫做规范玻色子。规范玻色子是规范场的量子化激发——正是规范原理召唤出来的那个场——它是两个相互作用的粒子彼此交换的信使。

每一个规范玻色子都是“玻色子”,意思是它带整数份的自旋(对标准模型的力传递者而言具体为自旋 1),而且与物质粒子不同,许多个可以挤在同一个状态里——这正是它们的场能堆积成日常生活中那种平滑、经典的力场(如磁场)的原因。标准模型恰好有四类规范玻色子,每种规范对称性配一套:光子(电磁)、八个胶子(强相互作用)、以及 W 和 Z 玻色子(弱相互作用)。规范对称性确定了它们有几个、与什么耦合、强度多大——这些玻色子不是可自由调节的参数,而是对称性的后果。

规范玻色子,正是标准模型把抽象的对称性,变成把原子聚在一起、让恒星发光的那些实实在在的推与拉的方式。尽管同源,它们彼此的行为却大不相同:光子无质量,能跨越整个宇宙;胶子也无质量,却因彼此牵扯而被困住;W 和 Z 很重、作用距离很短,因为希格斯场给了它们质量。两个注意点:其一,在真实的相互作用里,被交换的玻色子通常是“虚”的——一种计算上的替身,而非你能接住的自由飞行粒子。其二,希格斯玻色子虽然有名,却不是规范玻色子;它是另一种完全不同的场的量子。

两个电子通过交换一个光子——电磁的规范玻色子——而相互排斥。这里“投出”的光子是虚的:它只在相互作用进行的那一瞬存在,从不被直接看到,但由此产生的推力却完全真实,正是它让电子云不至于塌缩到一起。

电子间的排斥,作为一次(虚)光子交换。

并非每个玻色子都是规范玻色子,也并非每个力传递者就一定无质量。希格斯是玻色子但不是规范玻色子;W 和 Z 是规范玻色子,却依然很重。

又称
force carrier规范玻色子gauge field quantum