Единое описание электромагнетизма и слабого взаимодействия
В физике элементарных частиц электрослабое взаимодействие или электрослабая сила — это единое описание двух фундаментальных взаимодействий природы: электромагнетизма (электромагнитного взаимодействия) и слабого взаимодействия . Хотя эти две силы кажутся очень разными при обычных низких энергиях, теория моделирует их как два различных аспекта одной и той же силы. Выше энергии объединения , порядка 246 ГэВ , [a] они сольются в одну силу. Таким образом, если температура достаточно высока — приблизительно 10 15 К — то электромагнитная сила и слабая сила сольются в объединенную электрослабую силу.
В 1964 году Салам и Джон Клайв Уорд [6] выдвинули ту же идею, но предсказали безмассовый фотон и три массивных калибровочных бозона с вручную нарушенной симметрией. Позже, около 1967 года, исследуя спонтанное нарушение симметрии , Вайнберг нашел набор симметрий, предсказывающих безмассовый нейтральный калибровочный бозон . Первоначально отвергнув такую частицу как бесполезную, позже он понял, что его симметрии производят электрослабую силу, и он приступил к предсказанию грубых масс для W- и Z-бозонов . Примечательно, что он предположил, что эта новая теория перенормируема. [3] В 1971 году Джерард 'т Хоофт доказал, что спонтанно нарушенные калибровочные симметрии перенормируемы даже с массивными калибровочными бозонами.
Формулировка
Математически электромагнетизм объединяется со слабыми взаимодействиями как поле Янга–Миллса с калибровочной группой SU(2) × U(1) , которая описывает формальные операции, которые могут быть применены к электрослабым калибровочным полям без изменения динамики системы. Эти поля — слабые изоспиновые поля W 1 , W 2 и W 3 , а также слабое поле гиперзаряда B . Эта инвариантность известна как электрослабая симметрия .
Генераторы SU (2) и U(1) получили название слабый изоспин (обозначенный T ) и слабый гиперзаряд (обозначенный 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» безмассовы. Это еще не физические поля, до спонтанного нарушения симметрии и связанного с ними механизма Хиггса .
В Стандартной модели наблюдаемые физические частицы, Вт± и З0 Бозоны и фотон возникают в результате спонтанного нарушения симметрии электрослабой симметрии SU(2) × U(1) Y до U(1) em , [b] осуществляемого механизмом Хиггса (см. также бозон Хиггса ), сложным квантово-полевом феноменом, который «спонтанно» изменяет реализацию симметрии и перестраивает степени свободы. [8] [9] [10] [11]
Электрический заряд возникает как особая линейная комбинация (нетривиальная) Y W (слабого гиперзаряда) и компонента слабого изоспина T 3 ( ), которая не связана с бозоном Хиггса . То есть: Хиггс и электромагнитное поле не оказывают друг на друга никакого влияния на уровне фундаментальных сил («уровень дерева»), в то время как любая другая комбинация гиперзаряда и слабого изоспина должна взаимодействовать с Хиггсом. Это вызывает кажущееся разделение между слабым взаимодействием, которое взаимодействует с Хиггсом, и электромагнетизмом, который не взаимодействует. Математически электрический заряд представляет собой определенную комбинацию гиперзаряда и T 3 , изображенную на рисунке.
U(1) em (группа симметрии только электромагнетизма) определяется как группа, генерируемая этой специальной линейной комбинацией, а симметрия, описываемая группой U(1) em , не нарушена, поскольку она напрямую не взаимодействует с бозоном Хиггса. [c]
Вышеуказанное спонтанное нарушение симметрии заставляет бозоны W 3 и B объединяться в два разных физических бозона с разными массами – З0 бозон и фотон ( γ ),
где θ W — угол слабого смешивания . Оси, представляющие частицы, по сути, только что были повернуты в плоскости ( W 3 , B ) на угол θ W . Это также вносит несоответствие между массой З0 и масса Вт± частицы (обозначаются как m Z и m W соответственно),
Бозоны W 1 и W 2 , в свою очередь, объединяются, образуя заряженные массивные бозоны. Вт± :
Почему W+ это w1-iW2, а w- это w1+iw2? Необходимо дополнительное объяснение или ссылка.
Термин описывает взаимодействие между тремя векторными бозонами W и векторным бозоном B ,
где ( ) и — тензоры напряженности поля для слабого изоспина и слабого гиперзарядового калибровочных полей.
— кинетический член фермионов Стандартной модели. Взаимодействие калибровочных бозонов и фермионов осуществляется через калибровочно-ковариантную производную ,
где индекс j суммирует по трем поколениям фермионов; Q , u и d — левосторонний дублет, правосторонний синглет вверх и правосторонний синглет вниз кварковые поля; а L и e — левосторонний дублет и правосторонний синглет электронные поля. Фейнмановский слэш означает сокращение 4-градиента с матрицами Дирака , определяемыми как
а ковариантная производная (исключая калибровочное поле глюона для сильного взаимодействия ) определяется как
Здесь — слабый гиперзаряд, а — компоненты слабого изоспина.
Термин описывает поле Хиггса и его взаимодействие с самим собой и калибровочными бозонами,
и генерирует их массы, проявляющиеся, когда поле Хиггса приобретает ненулевое значение вакуумного ожидания, обсуждаемое далее. Для являются матрицами связей Юкавы.
После нарушения электрослабой симметрии
Лагранжиан реорганизуется, когда поле Хиггса приобретает неисчезающее вакуумное ожидание, продиктованное потенциалом предыдущего раздела. В результате этой переписывания становится очевидным нарушение симметрии. В истории Вселенной это, как полагают, произошло вскоре после горячего Большого взрыва, когда Вселенная находилась при температуре159,5 ± 1,5 ГэВ [12]
(предполагая Стандартную модель физики элементарных частиц).
Ввиду своей сложности этот лагранжиан лучше всего описать, разбив его на несколько частей следующим образом.
Кинетический член содержит все квадратичные члены лагранжиана, в том числе динамические члены (частные производные) и массовые члены (заметно отсутствующие в лагранжиане до нарушения симметрии)
где сумма пробегает все фермионы теории (кварки и лептоны), а поля и задаются как
причем следует заменить соответствующим полем ( ), а f abc — структурными константами соответствующей калибровочной группы.
Нейтральный ток и заряженный ток в компонентах лагранжиана содержат взаимодействия между фермионами и калибровочными бозонами,
где электромагнитный ток
где - электрические заряды фермионов. Нейтральный слабый ток - это
где - слабый изоспин фермионов. [d]
Заряженная токовая часть лагранжиана определяется выражением
где — правостороннее синглетное нейтринное поле, а матрица CKM определяет смешивание между массовыми и слабыми собственными состояниями кварков. [d]
содержит трехточечные и четырехточечные члены самовзаимодействия Хиггса,
содержит взаимодействия Хиггса с калибровочными векторными бозонами,
содержит калибровочные трехточечные самовзаимодействия,
содержит калибровочные четырехточечные самовзаимодействия,
содержит взаимодействия Юкавы между фермионами и полем Хиггса,
^ Обратите внимание, что U(1) Y и U(1) em являются различными 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 намеренно вставлены, чтобы исключить любые левохиральные компоненты спинорных полей. Вот почему электрослабая теория называется « хиральной теорией ».
^ Салам, А.; Уорд, Дж. К. (1959). «Слабые и электромагнитные взаимодействия». Nuovo Cimento . 11 (4): 568–577. Bibcode : 1959NCim...11..568S. doi : 10.1007/BF02726525. S2CID 15889731.
^ ab Weinberg, S (1967). "A Model of Leptons" (PDF) . Phys. Rev. Lett . 19 (21): 1264–66. Bibcode :1967PhRvL..19.1264W. doi :10.1103/PhysRevLett.19.1264. Архивировано из оригинала (PDF) 2012-01-12.
^ S. Bais (2005). Уравнения: Иконы знаний. стр. 84. ISBN0-674-01967-9.
^ "Нобелевская премия по физике 1979 года". Нобелевский фонд . Получено 16 декабря 2008 г.
^ Салам, А.; Уорд, Дж. К. (ноябрь 1964 г.). «Электромагнитные и слабые взаимодействия». Physics Letters . 13 (2): 168–171. Bibcode : 1964PhL....13..168S. doi : 10.1016/0031-9163(64)90711-5.
^ Ли, ТД (1981). Физика элементарных частиц и введение в теорию поля .
^ Энглерт, Ф.; Браут, Р. (1964). «Нарушенная симметрия и масса калибровочных векторных мезонов». Physical Review Letters . 13 (9): 321–323. Bibcode : 1964PhRvL..13..321E. doi : 10.1103/PhysRevLett.13.321 .
^ Хиггс, П. В. (1964). «Нарушенные симметрии и массы калибровочных бозонов». Physical Review Letters . 13 (16): 508–509. Bibcode : 1964PhRvL..13..508H. doi : 10.1103/PhysRevLett.13.508 .
^ Гуральник, GS; Хаген, CR; Киббл, TWB (1964). «Глобальные законы сохранения и безмассовые частицы». Physical Review Letters . 13 (20): 585–587. Bibcode : 1964PhRvL..13..585G. doi : 10.1103/PhysRevLett.13.585 .
^ Гуральник, ГС (2009). «История развития Гуральником, Хагеном и Кибблом теории спонтанного нарушения симметрии и калибровочных частиц». International Journal of Modern Physics A . 24 (14): 2601–2627. arXiv : 0907.3466 . Bibcode :2009IJMPA..24.2601G. doi :10.1142/S0217751X09045431. S2CID 16298371.
^ D'Onofrio, Michela; Rummukainen, Kari (2016). "Стандартная модель кроссовера на решетке". Phys. Rev. D. 93 ( 2): 025003. arXiv : 1508.07161 . Bibcode : 2016PhRvD..93b5003D. doi : 10.1103/PhysRevD.93.025003. hdl : 10138/159845 . S2CID 119261776.
Дальнейшее чтение
Обычные читатели
BA Schumm (2004). Глубокие вещи: захватывающая красота физики элементарных частиц . Johns Hopkins University Press. ISBN 0-8018-7971-X.Передаёт большую часть Стандартной модели без формальной математики. Очень подробно о слабом взаимодействии.
Тексты
DJ Griffiths (1987). Введение в элементарные частицы . John Wiley & Sons. ISBN 0-471-60386-4.
W. Greiner; B. Müller (2000). Калибровочная теория слабых взаимодействий . Springer. ISBN 3-540-67672-4.
ES Abers; BW Lee (1973). «Калибровочные теории». Physics Reports . 9 (1): 1–141. Bibcode : 1973PhR.....9....1A. doi : 10.1016/0370-1573(73)90027-6.
Y. Hayato; et al. (1999). «Поиск распада протона через p → νK + в большом водном черенковском детекторе». Physical Review Letters . 83 (8): 1529–1533. arXiv : hep-ex/9904020 . Bibcode :1999PhRvL..83.1529H. doi :10.1103/PhysRevLett.83.1529. S2CID 118326409.
J. Hucks (1991). «Глобальная структура стандартной модели, аномалии и квантование заряда». Physical Review D. 43 ( 8): 2709–2717. Bibcode : 1991PhRvD..43.2709H. doi : 10.1103/PhysRevD.43.2709. PMID 10013661.