Elektroslabá interakce - Electroweak interaction
Standardní model z částicová fyzika |
---|
![]() |
Vědci Rutherford · Thomson · Chadwick · Bose · Sudarshan · Koshiba · Davis Jr. · Anderson · Fermi · Dirac · Feynman · Rubbia · Gell-Mann · Kendall · Taylor · Friedman · Powell · P. W. Anderson · Glashow · Iliopoulos · Maiani · Meer · Cowan · Nambu · Komorník · Cabibbo · Schwartz · Perl · Majorana · Weinberg · Závětří · Ward · salám · Kobajaši · Maskawa · Yang · Yukawa · 't Hooft · Veltman · Hrubý · Politzer · Wilczek · Cronin · tchoř · Vleck · Higgs · Englert · Brout · Hagen · Guralnik · Granule · Ting · Richter |
v částicová fyzika, elektroslabá interakce nebo elektroslabá síla je jednotný popis dvou ze čtyř známých základní interakce přírodní: elektromagnetismus a slabá interakce. Ačkoli se tyto dvě síly při každodenních nízkých energiích velmi liší, teorie je modeluje jako dva různé aspekty stejné síly. Nad energie sjednocení, řádově 246GeV,[A] spojily by se do jediné síly. Pokud je tedy vesmír dostatečně horký (přibližně 1015 K., teplota nebyla překročena krátce po Velký třesk ), pak se elektromagnetická síla a slabá síla spojí do kombinované elektroslabé síly. Během epocha kvarku, elektroslabá síla se rozdělila na elektromagnetickou a slabá síla.
Sheldon Glashow, Abdus Salam,[1][2] a Steven Weinberg[3] byly uděleny 1979 Nobelova cena za fyziku za jejich příspěvek ke sjednocení slabé a elektromagnetické interakce mezi elementární částice, známý jako Teorie Weinberg – Salam.[4][5] Existence elektroslabých interakcí byla experimentálně prokázána ve dvou fázích, z nichž první byl objev neutrální proudy v rozptylu neutrin pomocí Gargamelle spolupráce v roce 1973 a druhá v roce 1983 UA1 a UA2 spolupráce, které zahrnovaly objevení W a Z měřicí bosony při srážkách proton-antiproton na konvertovaném Super protonový synchrotron. V roce 1999 Gerardus 't Hooft a Martinus Veltman byli oceněni Nobelovou cenou za prokázání, že elektroslabá teorie je obnovitelné.
Dějiny
Po Wu experiment objevil porušení parity v slabá interakce, začalo se hledat způsob, jak spojit slabý a elektromagnetické interakce. Prodloužení jeho doktorský poradce Julian Schwinger práce, Sheldon Glashow nejprve experimentoval se zavedením dvou různých symetrií, jedné chirální a jeden achirál a kombinoval je tak, aby jejich celková symetrie nebyla narušena. To nepřineslo a obnovitelné teorie a jeho symetrie měřidla musela být ručně rozbita jako ne spontánní mechanismus bylo známo, ale předpovídalo novou částici, Z boson. To si nevšimlo, protože neodpovídalo žádnému experimentálnímu zjištění.
V roce 1964 salám, Ward a Weinberg měl stejný nápad, ale předpovídal bezhmotnost foton a tři masivní měřicí bosony s ručně narušenou symetrií. Později kolem roku 1967, při vyšetřování spontánní narušení symetrie Weinberg našel soubor symetrií předpovídajících nehmotnou, neutrální měřicí boson. Zpočátku odmítal takovou částici jako zbytečnou, později si uvědomil, že jeho symetrie způsobila slabou sílu a pokračoval v předpovídání hrubých hmot pro W a Z bosony. Je příznačné, že navrhl, aby byla tato nová teorie obnovitelná.[3] V roce 1971 Gerard 't Hooft dokázal, že spontánně rozbité měřicí symetrie jsou renormalizovatelné i u bosonů s velkým měřidlem.
Formulace


Ž
a
Z
bosony.
Matematicky je elektromagnetismus sjednocen se slabými interakcemi jako a Pole Yang – Mills s SU (2) × U (1) měřicí skupina, který popisuje formální operace, které lze aplikovat na elektroslabá pole měřidla beze změny dynamiky systému. Tato pole jsou slabá izospinová pole Ž1, Ž2, a Ž3a slabé pole hyperplácení B.Tato invariance je známá jako elektroslabá symetrie.
The generátory z SU (2) a U (1) dostávají jméno slabý isospin (označeno T) a slabý přebití (označeno Y). Ty pak dávají vzniknout bosonům měřidla, které zprostředkovávají elektroslabé interakce - třem W bosonům slabého isospinu (Ž1, Ž2, a Ž3) a B boson slabého hypervýboje, z nichž všechny jsou „zpočátku“ nehmotné. Toto ještě nejsou fyzická pole spontánní narušení symetrie a související Higgsův mechanismus.
V Standardní model,
Ž±
a
Z0
bosony a foton, jsou vyráběny prostřednictvím spontánní narušení symetrie elektroslabé symetrie SU (2) × U (1)Y do U (1)em,[b] uskutečněné Higgsův mechanismus (viz také Higgsův boson ), propracovaný teoretický jev kvantového pole, který „spontánně“ mění realizaci symetrie a mění stupně volnosti.[6][7][8][9]
Elektrický náboj vzniká jako (netriviální) lineární kombinace Y (slabý přebití) a T3 složka slabého isospinu () to není pár k Higgsův boson - to znamená, že Higgs a elektromagnetické pole na sebe nemají žádný vliv na úrovni základních sil („úroveň stromu“), zatímco jakákoli jiná lineární kombinace hypervýboje a slabého isospinu bude s Higgsem interagovat. To způsobí zjevné oddělení mezi slabou silou, která interaguje s Higgsem, a elektromagnetismem, který tomu tak není. Matematicky je elektrický náboj specifickou kombinací hyperboje a T3 na obrázku.
U (1)em (skupina symetrie elektromagnetismu) je definována jako skupina generovaná touto speciální lineární kombinací a symetrie popsaná touto skupinou je nepřerušená, protože neinteraguje s Higgsem přímo (ale prostřednictvím kvantových fluktuací).
Výše uvedené spontánní přerušení symetrie činí Ž3 a B bosony splývají ve dva různé fyzické bosony s různými hmotami -
Z0
boson a foton (y),
kde θŽ je slabý směšovací úhel. Osy představující částice byly v podstatě právě otočeny v (Ž3, B) rovina, o úhel θŽ. Tím se také zavádí nesoulad mezi hmotou
Z0
a hmotnost
Ž±
částice (označené jako MZ a MŽ, v uvedeném pořadí),
The Ž1 a Ž2 bosony se zase spojí a poskytnou masivní nabité bosony
Lagrangian
Před porušením elektroslabé symetrie
The Lagrangian protože elektroslabé interakce jsou dříve rozděleny do čtyř částí rozbití elektroslabé symetrie se projeví,
The termín popisuje interakci mezi těmito třemi Ž vektorové bosony a B vektorový boson,
- ,
kde () a jsou tenzory intenzity pole pro slabá pole izospinu a slabá měřidla hyperplánu.
je kinetický termín pro fermiony standardního modelu. Interakce měřicích bosonů a fermionů probíhá prostřednictvím měřidlo kovarianční derivace,
- ,
kde dolní index i běží přes tři generace fermionů; Q, u, a d jsou levoruký dublet, pravotočivý tílko nahoru a pravotočivý tílko dolů kvarková pole; a L a E jsou levotočivá dubletová a pravotočivá singletová elektronová pole Feynman lomítko znamená kontrakci 4-gradientu s Diracovy matice
a kovarianční derivace je (kromě pole gluonového měřidla pro silná interakce )
Tady je slabý přebití a jsou složky slabého isospinu.
The termín popisuje Higgsovo pole a jeho interakce se sebou a měřicími bosony,
The termín popisuje Interakce Yukawa s fermiony,
a generuje jejich masy, které se projeví, když Higgsovo pole získá nenulovou hodnotu očekávání vakua, diskutováno dále.
Po rozbití elektroslabé symetrie
Lagrangian se reorganizuje, protože Higgsův boson získává nezanikající hodnotu očekávání vakua diktovanou potenciálem předchozí části. V důsledku tohoto přepsání se projeví narušení symetrie. V historii vesmíru se předpokládá, že k tomu došlo krátce po horkém velkém třesku, kdy měl vesmír teplotu 159,5 ± 1,5GeV[10] (za předpokladu standardního modelu fyziky částic).
Vzhledem ke své složitosti je tento Lagrangian nejlépe popsán rozdělením do několika částí následujícím způsobem.
Kinetický člen obsahuje všechny kvadratické termíny Lagrangeova, které zahrnují dynamické členy (parciální derivace) a hromadné členy (nápadně chybí v Lagrangeově před rozbitím symetrie)
kde součet běží přes všechny fermiony teorie (kvarky a leptony) a pole , , , a jsou uvedeny jako
s „“Bude nahrazeno příslušným polem (, , ), a F abc strukturními konstantami příslušné skupiny měřidel.
Nulový proud a nabitý proud komponenty Lagrangeovy obsahují interakce mezi fermiony a měřicími bosony,
kde Elektromagnetický proud je
- ,
kde je elektrický náboj fermionů. Neutrální slabý proud je
kde je slabý isospin fermionů.
Část nabitého proudu Lagrangeovy je dána vztahem
kde obsahuje Higgsovy tříbodové a čtyřbodové termíny vlastní interakce,
obsahuje Higgsovy interakce s vektorovými bosony měřidla,
obsahuje měřicí tříbodové vlastní interakce,
obsahuje měřicí čtyřbodové vlastní interakce,
obsahuje interakce Yukawa mezi fermiony a Higgsovým polem,
Všimněte si faktory slabých vazeb: tyto faktory promítají levostranné komponenty spinorových polí. Proto se říká, že elektroslabá teorie je chirální teorie.
Viz také
- Teorie Yang – Mills
- Základní síly
- Historie kvantové teorie pole
- Standardní model (matematická formulace)
- Míra jednoty
- Weinbergův úhel
Poznámky
- ^ Konkrétní číslo 246 GeV je považováno za hodnota očekávaného vakua z Higgsovo pole (kde je Fermiho vazebná konstanta ).
- ^ Všimněte si, že U (1)Y a U (1)em jsou různé kopie U (1).
Reference
- ^ Glashow, S. (1959). "Renormalizovatelnost interakcí vektorových mezonů." Nucl. Phys. 10, 107.
- ^ Salam, A.; Ward, J. C. (1959). "Slabé a elektromagnetické interakce". Nuovo Cimento. 11 (4): 568–577. Bibcode:1959NCim ... 11..568S. doi:10.1007 / BF02726525. S2CID 15889731.
- ^ A b Weinberg, S (1967). „Model leptonů“ (PDF). Phys. Rev. Lett. 19 (21): 1264–66. Bibcode:1967PhRvL..19.1264W. doi:10.1103 / PhysRevLett.19.1264. Archivovány od originál (PDF) dne 2012-01-12.
- ^ S. Bais (2005). Rovnice: Ikony znalostí. p.84. ISBN 0-674-01967-9.
- ^ „Nobelova cena za fyziku 1979“. Nobelova nadace. Citováno 2008-12-16.
- ^ Englert, F .; Brout, R. (1964). „Broken symetry and the mass of the gauge vector mesons“. Dopisy o fyzické kontrole. 13 (9): 321–323. Bibcode:1964PhRvL..13..321E. doi:10.1103 / PhysRevLett.13.321.
- ^ Higgs, P.W. (1964). „Broken Symetries and the Masses of Gauge Bosons“. Dopisy o fyzické kontrole. 13 (16): 508–509. Bibcode:1964PhRvL..13..508H. doi:10.1103 / PhysRevLett.13,508.
- ^ Guralnik, G.S .; Hagen, C.R .; Kibble, T.W.B. (1964). „Globální zákony na ochranu přírody a bezhmotné částice“. Dopisy o fyzické kontrole. 13 (20): 585–587. Bibcode:1964PhRvL..13..585G. doi:10.1103 / PhysRevLett.13.585.
- ^ Guralnik, G.S. (2009). „Historie vývoje Guralnik, Hagen a Kibble teorie Teorie spontánního lámání symetrie a měřicích částic“. Mezinárodní žurnál moderní fyziky A. 24 (14): 2601–2627. arXiv:0907.3466. Bibcode:2009IJMPA..24.2601G. doi:10.1142 / S0217751X09045431. S2CID 16298371.
- ^ D'Onofrio, Michela; Rummukainen, Kari (2016). "Standardní křížení modelu na mřížce". Phys. Rev. D. 93 (2): 025003. arXiv:1508.07161. Bibcode:2016PhRvD..93b5003D. doi:10.1103 / PhysRevD.93.025003. hdl:10138/159845. S2CID 119261776.
Další čtení
Obecní čtenáři
- B. A. Schumm (2004). Hluboké věci: Úchvatná krása částicové fyziky. Johns Hopkins University Press. ISBN 0-8018-7971-X. Přenáší většinu z Standardní model bez formální matematiky. Velmi důkladné na slabou interakci.
Texty
- D. J. Griffiths (1987). Úvod do elementárních částic. John Wiley & Sons. ISBN 0-471-60386-4.
- W. Greiner; B. Müller (2000). Teorie měřidel slabých interakcí. Springer. ISBN 3-540-67672-4.
- G. L. Kane (1987). Moderní elementární fyzika částic. Knihy Perseus. ISBN 0-201-11749-5.
Články
- E. S. Abers; B. W. Lee (1973). "Teorie měřidla". Fyzikální zprávy. 9 (1): 1–141. Bibcode:1973PhR ..... 9 .... 1A. doi:10.1016/0370-1573(73)90027-6.
- Y. Hayato; et al. (1999). "Vyhledejte protonový rozpad pomocí p → νK+ ve velkém detektoru vody Čerenkov ". Dopisy o fyzické kontrole. 83 (8): 1529–1533. arXiv:hep-ex / 9904020. Bibcode:1999PhRvL..83,1529H. doi:10.1103 / PhysRevLett.83.1529. S2CID 118326409.
- J. Hucks (1991). "Globální struktura standardního modelu, anomálie a kvantifikace náboje". Fyzický přehled D. 43 (8): 2709–2717. Bibcode:1991PhRvD..43.2709H. doi:10.1103 / PhysRevD.43.2709. PMID 10013661.
- S.F. Novaes (2000). "Standardní model: Úvod". arXiv:hep-ph / 0001283.
- D. P. Roy (1999). "Základní složky hmoty a jejich interakce - zpráva o pokroku". arXiv:hep-ph / 9912523.