stringtranslate.com

Электрослабое взаимодействие

В физике элементарных частиц электрослабое взаимодействие или электрослабая сила — это унифицированное описание двух из четырех известных фундаментальных взаимодействий природы: электромагнетизма (электромагнитного взаимодействия) и слабого взаимодействия . Хотя эти две силы кажутся очень разными при повседневных низких энергиях, теория моделирует их как два разных аспекта одной и той же силы. Выше энергии объединения , порядка 246  ГэВ , [а] они сольются в единую силу. Таким образом, если температура достаточно высока – примерно 10 15  К – тогда электромагнитная сила и слабое взаимодействие сливаются в объединенное электрослабое взаимодействие. В эпоху кварков (вскоре после Большого взрыва ) электрослабое взаимодействие разделилось на электромагнитное и слабое взаимодействие . Считается, что необходимая температура 10 15  К не наблюдалась широко во Вселенной со времен кварковой эпохи, и в настоящее время самая высокая искусственная температура теплового равновесия составляет около 5,5x10 12  К (по данным Большого адронного коллайдера ).

Шелдон Глэшоу , [1] Абдус Салам , [2] и Стивен Вайнберг [3] были удостоены Нобелевской премии по физике 1979 года за вклад в объединение слабого и электромагнитного взаимодействия между элементарными частицами , известное как теория Вайнберга-Салама . [4] [5] Существование электрослабых взаимодействий было экспериментально установлено в два этапа: первый — открытие нейтральных токов при рассеянии нейтрино коллаборацией Гаргамель в 1973 году, а второй — в 1983 году коллаборациями UA1 и UA2 , которые включал открытие калибровочных бозонов W и Z в протон-антипротонных столкновениях на переоборудованном суперпротонном синхротроне . В 1999 году Герардус 'т Хоофт и Мартинус Вельтман были удостоены Нобелевской премии за доказательство перенормируемости электрослабой теории .

История

После того, как эксперимент Ву в 1956 году обнаружил нарушение четности в слабом взаимодействии , начались поиски способа связать слабое и электромагнитное взаимодействия . Продолжая работу своего научного руководителя Джулиана Швингера , Шелдон Глэшоу сначала экспериментировал с введением двух разных симметрий, одной киральной и одной ахиральной, и объединил их так, чтобы их общая симметрия не была нарушена. Это не привело к перенормируемой теории , и ее калибровочную симметрию пришлось нарушать вручную, поскольку спонтанный механизм не был известен, но это предсказало появление новой частицы, Z-бозона . Это не получило особого внимания, поскольку не соответствовало никаким экспериментальным данным.

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±
:

лагранжиан

До нарушения электрослабой симметрии

Лагранжиан электрослабых взаимодействий делится на четыре части, прежде чем становится очевидным нарушение электрослабой симметрии :

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.

где – вакуумное математическое ожидание.

Этот термин описывает взаимодействие Юкавы с фермионами:

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,

Смотрите также

Примечания

  1. ^ Конкретное число 246 ГэВ принимается за вакуумное математическое ожидание поля Хиггса (где - константа связи Ферми ).
  2. ^ 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.
  3. ^ Хотя электромагнетизм – например, фотон – не взаимодействует напрямую с бозоном Хиггса , он взаимодействует косвенно , через квантовые флуктуации .
  4. ^ 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 ».

Рекомендации

  1. ^ Глэшоу, С. (1959). «Перенормируемость взаимодействий векторных мезонов». Нукл. Физ. 10 , 107.
  2. ^ 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.
  3. ^ 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.
  4. ^ С. Байс (2005). Уравнения: символы знаний. п. 84. ИСБН 0-674-01967-9.
  5. ^ «Нобелевская премия по физике 1979 года». Нобелевский фонд . Проверено 16 декабря 2008 г.
  6. ^ 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.
  7. ^ Ли, Т.Д. (1981). Физика элементарных частиц и введение в теорию поля .
  8. ^ 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 .
  9. ^ 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 .
  10. ^ 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 .
  11. ^ 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.
  12. ^ 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

Тексты

Статьи