В 1964 году Салам и Джон Клайв Уорд [6] выдвинули ту же идею, но предсказали безмассовый фотон и три массивных калибровочных бозона с нарушенной вручную симметрией. Позже, примерно в 1967 году, исследуя спонтанное нарушение симметрии , Вайнберг обнаружил ряд симметрий, предсказывающих появление безмассового нейтрального калибровочного бозона . Первоначально отвергнув такую частицу как бесполезную, он позже понял, что его симметрия порождает электрослабое взаимодействие, и приступил к предсказанию приблизительных масс W- и Z-бозонов . Примечательно, что он предположил, что эта новая теория поддается перенормировке. [3] В 1971 году Жерар 'т Хофт доказал, что спонтанно нарушенные калибровочные симметрии перенормируемы даже с массивными калибровочными бозонами.
Формулировка
Угол слабого смешивания Вайнберга θ W и связь между константами связи g, g′ и e . Адаптировано из Ли (1981). [7]Схема слабого изоспина T 3 и слабого гиперзаряда Y W известных элементарных частиц, показывающая электрический заряд Q вдоль угла слабого смешивания . Нейтральное поле Хиггса (обведено кружком) нарушает электрослабую симметрию и взаимодействует с другими частицами, придавая им массу. Три компонента поля Хиггса становятся частью массивного Вт и З бозоны.
Математически электромагнетизм объединяется со слабыми взаимодействиями как поле Янга–Миллса с калибровочной группой SU(2) × U(1) , которая описывает формальные операции, которые можно применять к электрослабым калибровочным полям без изменения динамики системы. . Этими полями являются слабые изоспиновые поля W1 , W2 и W3 , а также слабое поле гиперзаряда B. Эта инвариантность известна как электрослабая симметрия .
Генераторам SU (2) и U(1) присвоены названия слабого изоспина (обозначенного T ) и слабого гиперзаряда (обозначенного Y ) соответственно. Затем они порождают калибровочные бозоны, которые опосредуют электрослабые взаимодействия - три W -бозона слабого изоспина ( W 1 , W 2 и W 3 ) и B -бозон слабого гиперзаряда соответственно, все из которых «изначально» безмассовый. Это еще не физические поля до спонтанного нарушения симметрии и связанного с ним механизма Хиггса .
В Стандартной модели наблюдаемые физические частицы Вт± и З0 бозоны и фотон рождаются в результате спонтанного нарушения электрослабой симметрии SU(2) × U(1) Y до U(1) em , [b] вызванного механизмом Хиггса (см. также бозон Хиггса ), сложное квантово-полевое явление, которое «спонтанно» меняет реализацию симметрии и перестраивает степени свободы. [8] [9] [10] [11]
Электрический заряд возникает как особая линейная комбинация (нетривиальная) Y W (слабый гиперзаряд) и компонента T 3 слабого изоспина , который не взаимодействует с бозоном Хиггса . То есть: бозон Хиггса и электромагнитное поле не влияют друг на друга на уровне фундаментальных сил («уровень дерева»), в то время как любая другая комбинация гиперзаряда и слабого изоспина должна взаимодействовать с бозоном Хиггса. Это вызывает кажущееся разделение между слабым взаимодействием, которое взаимодействует с бозоном Хиггса, и электромагнетизмом, который не взаимодействует. Математически электрический заряд представляет собой определенную комбинацию гиперзаряда и Т 3 , показанную на рисунке.
U(1) em (только группа симметрии электромагнетизма) определяется как группа, порожденная этой специальной линейной комбинацией, а симметрия, описываемая группой U(1) em , не нарушена, поскольку она не взаимодействует напрямую с бозоном Хиггса. . [с]
Вышеописанное спонтанное нарушение симметрии приводит к слиянию бозонов W 3 и B в два разных физических бозона с разными массами – З0 бозон и фотон ( γ ),
где θW – угол слабого смешивания . Оси, представляющие частицы, по существу только что были повернуты в плоскости ( W 3 , B ) на угол θ W . Это также приводит к несоответствию массы З0 и масса Вт± частицы (обозначаются как m Z и m W соответственно),
Бозоны W1 и W2 , в свою очередь, объединяются , образуя заряженные массивные бозоны . Вт± :
Этот термин описывает взаимодействие между тремя векторными бозонами W и векторным бозоном B :
,
где ( ) и – тензоры напряженности поля для слабого изоспина и слабого гиперзарядового калибровочного поля.
— кинетический термин для фермионов Стандартной модели. Взаимодействие калибровочных бозонов и фермионов осуществляется через калибровочную ковариантную производную ,
,
где индекс j суммируется по трем поколениям фермионов; Q , u и d — левые дублетные, правые синглетные верхние и правые синглетные нижние кварковые поля; L и e — леводуплетное и правосинглетное электронные поля . Косая черта Фейнмана означает сжатие 4-градиента с помощью матриц Дирака , определяемых как
а ковариантная производная (без учета глюонного калибровочного поля для сильного взаимодействия ) определяется как
Вот слабый гиперзаряд, а – компоненты слабого изоспина.
Этот термин описывает поле Хиггса и его взаимодействие с самим собой и калибровочными бозонами.
и генерирует их массы, которые проявляются, когда поле Хиггса приобретает ненулевое вакуумное математическое ожидание, которое обсуждается далее. for — матрицы связей Юкавы.
После нарушения электрослабой симметрии
Лагранжиан реорганизуется, когда бозон Хиггса приобретает ненулевое вакуумное математическое ожидание, продиктованное потенциалом предыдущего раздела. В результате такой переписывания становится очевидным нарушение симметрии. В истории Вселенной считается, что это произошло вскоре после горячего Большого взрыва, когда температура Вселенной составляла 159,5±1,5 ГэВ [12]
(в рамках Стандартной модели физики элементарных частиц).
Из-за своей сложности этот лагранжиан лучше всего описать, разбив его на несколько частей следующим образом.
Кинетический член содержит все квадратичные члены лагранжиана, включая динамические члены (частные производные) и массовые члены (заметно отсутствующие в лагранжиане до нарушения симметрии).
где сумма пробегает все фермионы теории (кварки и лептоны), а также поля и задаются как
где ' ' заменяется соответствующим полем ( , , ), а f abc - структурными константами соответствующей калибровочной группы.
Компоненты нейтрального тока и заряженного тока лагранжиана содержат взаимодействия между фермионами и калибровочными бозонами:
где Электромагнитный ток
где – электрические заряды фермионов. Нейтральный слабый ток
где – слабый изоспин фермионов. [д]
Заряженная токовая часть лагранжиана определяется выражением
где – правое синглетное поле нейтрино, а матрица СКМ определяет смешивание массовых и слабых собственных состояний кварков. [д]
содержит члены трехточечного и четырехточечного самодействия Хиггса,
содержит взаимодействия Хиггса с калибровочными векторными бозонами,
содержит калибровочные трехточечные самодействия,
содержит калибровочные четырехточечные самодействия,
содержит взаимодействия Юкавы между фермионами и полем Хиггса,
^ Обратите внимание, что U(1) Y и U(1) em являются разными экземплярами общего U(1) : каждая из двух сил получает свою собственную независимую копию унитарной группы.
^ Хотя электромагнетизм – например, фотон – не взаимодействует напрямую с бозоном Хиггса , он взаимодействует косвенно , через квантовые флуктуации .
^ ab Обратите внимание на факторы в формулах слабой связи: эти факторы вставлены намеренно, чтобы исключить любые левокиральные компоненты спинорных полей. Вот почему электрослабая теория называется « киральной теорией ».
^ Салам, А .; Уорд, Дж. К. (1959). «Слабые и электромагнитные взаимодействия». Нуово Чименто . 11 (4): 568–577. Бибкод : 1959NCim...11..568S. дои : 10.1007/BF02726525. S2CID 15889731.
^ Аб Вайнберг, С (1967). «Модель лептонов» (PDF) . Физ. Преподобный Летт . 19 (21): 1264–66. Бибкод : 1967PhRvL..19.1264W. doi :10.1103/PhysRevLett.19.1264. Архивировано из оригинала (PDF) 12 января 2012 г.
^ С. Байс (2005). Уравнения: символы знаний. п. 84. ИСБН0-674-01967-9.
^ «Нобелевская премия по физике 1979 года». Нобелевский фонд . Проверено 16 декабря 2008 г.
^ Салам, А.; Уорд, Джей Си (ноябрь 1964 г.). «Электромагнитные и слабые взаимодействия». Письма по физике . 13 (2): 168–171. Бибкод : 1964PhL....13..168S. дои : 10.1016/0031-9163(64)90711-5.
^ Ли, Т.Д. (1981). Физика элементарных частиц и введение в теорию поля .
^ Энглерт, Ф.; Браут, Р. (1964). «Нарушенная симметрия и масса калибровочных векторных мезонов». Письма о физических отзывах . 13 (9): 321–323. Бибкод : 1964PhRvL..13..321E. дои : 10.1103/PhysRevLett.13.321 .
^ Хиггс, PW (1964). «Нарушенные симметрии и массы калибровочных бозонов». Письма о физических отзывах . 13 (16): 508–509. Бибкод : 1964PhRvL..13..508H. doi : 10.1103/PhysRevLett.13.508 .
^ Гуральник, Г.С.; Хаген, Чехия; Киббл, TWB (1964). «Глобальные законы сохранения и безмассовые частицы». Письма о физических отзывах . 13 (20): 585–587. Бибкод : 1964PhRvL..13..585G. дои : 10.1103/PhysRevLett.13.585 .
^ Гуральник, Г.С. (2009). «История развития Гуральником, Хагеном и Кибблом теории спонтанного нарушения симметрии и калибровочных частиц». Международный журнал современной физики А. 24 (14): 2601–2627. arXiv : 0907.3466 . Бибкод : 2009IJMPA..24.2601G. дои : 10.1142/S0217751X09045431. S2CID 16298371.
^ Д'Онофрио, Микела; Руммукайнен, Кари (2016). «Стандартная модель кроссовера на решетке». Физ. Преподобный Д. 93 (2): 025003. arXiv : 1508.07161 . Бибкод : 2016PhRvD..93b5003D. doi : 10.1103/PhysRevD.93.025003. hdl : 10138/159845 . S2CID 119261776.
дальнейшее чтение
Общие читатели
Б. А. Шумм (2004). Глубокие вещи: захватывающая дух красота физики элементарных частиц . Издательство Университета Джонса Хопкинса. ISBN 0-8018-7971-Х.Передает большую часть Стандартной модели без формальной математики. Очень внимательно относится к слабому взаимодействию.
Тексты
DJ Гриффитс (1987). Введение в элементарные частицы . Джон Уайли и сыновья. ISBN 0-471-60386-4.
В. Грейнер; Б. Мюллер (2000). Калибровочная теория слабых взаимодействий . Спрингер. ISBN 3-540-67672-4.
Э. С. Аберс; Б.В. Ли (1973). «Калибровочные теории». Отчеты по физике . 9 (1): 1–141. Бибкод : 1973PhR.....9....1A. дои : 10.1016/0370-1573(73)90027-6.
Ю. Хаято; и другие. (1999). «Поиск распада протона через p → νK + в большом водном черенковском детекторе». Письма о физических отзывах . 83 (8): 1529–1533. arXiv : hep-ex/9904020 . Бибкод : 1999PhRvL..83.1529H. doi : 10.1103/PhysRevLett.83.1529. S2CID 118326409.
Дж. Хакс (1991). «Глобальная структура стандартной модели, аномалии и квантование заряда». Физический обзор D . 43 (8): 2709–2717. Бибкод : 1991PhRvD..43.2709H. doi : 10.1103/PhysRevD.43.2709. ПМИД 10013661.