IJkboson

In de deeltjesfysica is een ijkboson een boson dat fungeert als drager van een van de fundamentele natuurkrachten. Het is een subatomair krachtdeeltje. Elementaire deeltjes oefenen krachten op elkaar uit door de uitwisseling van ijkbosonen, meestal als virtuele deeltjes. Zij ontlenen hun naam aan het feit dat de theorieën die deze krachten beschrijven ijktheorieën zijn. De ijkbosonen zijn de kwanta van het ijkveld.

Standaardmodel

Er komen in het standaardmodel van de deeltjesfysica drie soorten ijkboson voor:

  1. fotonen voor de elektromagnetische kracht,
  2. gluonen voor de sterke kernkracht en
  3. W- en Z-bosonen voor de zwakke kernkracht.

Het is door confinement bij lage energieën niet mogelijk geïsoleerde gluonen waar te nemen.

Multipliciteit

IJkbosonen zijn in een gekwantiseerde ijktheorie de kwanta van het ijkveld. Hierom zijn er evenveel ijkbosonen als er generatoren van het ijkveld zijn.

  1. U(1) is in kwantumelektrodynamica de ijkgroep. Er is maar één ijkboson, het foton.
  2. De ingewikkeldere groep SU(3) beschrijft de kwantumchromodynamica en heeft acht generatoren. Dit leidt tot acht gluonen.
  3. SU(2) beschrijft de zwakke wisselwerking en heeft drie generatoren. Het W- en het Z-boson komen hier ruwweg mee overeen.

Massa

Om technische redenen die te maken hebben met ijkinvariantie worden ijkbosonen beschreven door massaloze velden. Hierdoor zou men kunnen verwachten dat alle ijkbosonen massaloos zijn en dat de krachten die erdoor worden overgedragen een oneindige dracht hebben. Dit blijkt voor de sterke en de zwakke wisselwerking niet het geval te zijn. De verklaring ligt in diepere theoretische inzichten.

Volgens het standaardmodel krijgen de W- en Z-bosonen door het Brout-Englert-Higgsveld een massa, door het higgsmechanisme. De vier ijkbosonen van de geünificeerde elektrozwakke wisselwerking, beschreven door groep SU(2)×U(1), worden door dit mechanisme aan een higgsveld gekoppeld. Dit veld ondergaat spontane symmetriebreking, waardoor het veld een van nul verschillende vacuümverwachtingswaarde krijgt. Deze vacuümverwachtingswaarde koppelt aan de drie bosonen van de zwakke wisselwerking, de W's en het Z, waarna deze een massa krijgen. Het overige boson, het foton, blijft zonder massa. Dit alles werd in 2012 en 2013 bevestigd toen in het CERN het bestaan van het higgsboson experimenteel werd bevestigd.

Het feit dat de sterke wisselwerking geen lange dracht heeft, ligt aan confinement. Gluonen dragen een zekere kleurlading, en worden dus, net zoals quarks, gebonden in objecten met een totale kleurlading van nul. Hierdoor kunnen gluonen niet op lange afstand interageren en is de dracht van de sterke wisselwerking beperkt.

Buiten het standaardmodel

Zwaartekracht

Er is voor de vierde fundamentele wisselwerking, de zwaartekracht, ook aan gerekend hoe die door een boson moet worden overgebracht. Het graviton is daarvoor ingevoerd, maar dat is nog nooit waargenomen. Aangezien er nog geen wiskundig consistente theorie voor kwantumgravitatie bestaat, is het ook niet zeker of dit werkelijk een ijkboson is of niet. De ijkinvariantie in de algemene relativiteitstheorie komt met de invariantie overeen onder coördinatentransformaties.

Unificerende theorieën

In grand unified theories zouden twee extra ijkbosonen bestaan. Deze zouden de kracht tussen quarks en leptonen overbrengen, waardoor het baryongetal geen behouden grootheid meer is en bijvoorbeeld het proton uiteen zou kunnen vallen. Deze bosonen en het protonverval zijn geen van beide ooit waargenomen.