Bosón de gauge

En física de partículas, el bosón de gauge es un bosón que actúa como portador de una interacción fundamental de la naturaleza. Más específicamente, la interacción de las partículas elementales descrita por la teoría de campo de gauge se ejerce por medio de los intercambios de los bosones de gauge entre ellas, usualmente como partículas virtuales.

Bosones de gauge del modelo estándar

En el modelo estándar, hay cuatro tipos de bosones de gauge: fotones, bosones W y Z y gluones. Cada uno corresponde a tres de las cuatro interacciones: fotones son los bosones de gauge de la interacción electromagnética, los bosones W y Z traen la interacción débil, los gluones transportan la interacción fuerte. El gravitón, que sería responsable por la interacción gravitacional, es una proposición teórica que a la fecha no ha sido detectada. Debido al confinamiento del color, los gluones aislados no aparecen a bajas energías. Lo que sí se podría es dar lugar a bolas de gluones masivas (este dato no está confirmado hasta el momento).

Tabla I: Las interacciones conocidas junto con sus bosones de gauge

Interacción	Bosón
interacción electromagnética	Fotón
interacción débil	2 Bosón W (W+ y W−) y 1 Bosón Z
interacción fuerte	8 gluones
Gravitación	Gravitón (hipotético)

Número de bosones de Gauge

En la teoría de campo de gauge cuántica, los bosones de gauge son cuantos de un campo de gauge. Consecuentemente, hay tantos bosones de gauge como generadores de campo de gauge. En electrodinámica cuántica, un grupo de gauge es el U(1); en este caso simple, hay solo un bosón de gauge. En cromodinámica cuántica, el grupo más complicado SU(3) tiene 8 generadores, correspondiente a ocho gluones. Los tres bosones W y Z corresponden a los 3 generadores de SU(2) en la teoría electrodébil.

Bosones de Gauge masivos

Por razones técnicas^[¿cuál?] que envuelven la invariancia de gauge, los bosones de gauge son descritos matemáticamente por las ecuaciones de campo de las partículas sin masa. Por lo tanto, en un nivel teórico muy simple, todos los bosones de gauge deben ser sin masa y las fuerzas que describan son de largo alcance. El conflicto entre esta idea y la evidencia experimental es el hecho de que, la interacción débil por tener un corto alcance requiere mayores logros teóricos.

Según el modelo estándar, los bosones W y Z se vuelven masivos mediante el mecanismo de Higgs. En el mecanismo de Higgs, los cuatro bosones de gauge (de simetría SU(2)×U(1)) de una interacción electrodébil se acoplan con el campo de Higgs. Este campo sufre la ruptura espontánea de simetría electrodébil debido a la forma del potencial de la interacción. Como resultado, el universo permanece con un valor esperado del vacío (VEV en inglés) de Higgs diferente de cero. Esta valor VEV acopla los tres bosones electrodébiles de gauge (los W y Z), dándoles la masa; permaneciendo el resto de bosones de gauge sin masa (los fotones). Esta teoría también predice la existencia de un bosón de Higgs

Tras el modelo estándar

Teoría de la Gran Unificación

En la teoría de la gran unificación (GUTs por sus siglas en inglés), los bosones de gauge adicionales, llamados bosones X y Y, podrían existir. Estos podrían interactuar directamente entre los quarks y los leptones, violando la conservación del número bariónico y causando un decaemiento de un protón. Estos bosones podrían ser extremadamente pesados (aún más que los bosones W y Z) debido a la ruptura de la simetría. No hay evidencia de estos bosones.

Gravitones

La cuarta interacción fundamental, gravedad, puede también ser llevada por un bosón, llamado gravitón. En ausencia de evidencia experimental y de una teoría matemática coherente de la gravedad cuántica, se desconoce si éste podría ser un bosón de gauge o no. El rol de la invariancia de gauge en la relatividad general lo juega aquí una simetría similar, la invariancia difeomorfista.

Bosones W' y Z'

Véase la sección bosones W' y Z'.

Véase también

• Interacción fundamental
• Teoría de campo de gauge
• Bosón
• Cromodinámica Cuántica
• Electrodinámica Cuántica
• Interacción Electrodébil