ЭЛЕКТРОВЕКОВЫЕ Взаимодействие
Стандартная модель физики частиц |
---|
![]() |
При физике частиц электроводное взаимодействие или сила электропроизводства являются единым описанием двух из четырех известных фундаментальных взаимодействий природы: электромагнетизм (электромагнитное взаимодействие) и слабое взаимодействие . Хотя эти две силы кажутся очень разными в повседневных низких энергиях, теория моделирует их как два разных аспекта одной и той же силы. Выше энергии объединения , по порядку 246 ГЕВ , [ А ] Они объединятся в одну силу. Таким образом, если температура достаточно высока - приблизительно 10 15 K - Затем электромагнитная сила и слабая сила сливаются в комбинированную силу электропроизводства. Во время эпохи Кварка (вскоре после большого взрыва ) сила электропроизводства раскололась на электромагнитную и слабую силу . Считается, что требуемая температура 10 15 K не наблюдался широко по всей Вселенной с тех пор, как до эпохи кварка, и в настоящее время самая высокая температура, производимая человеком в тепловом равновесии, составляет около 5,5 × 10 12 K (от большого адронного коллайдера ).
Шелдон Глашоу , [ 1 ] Абдус Салам , [ 2 ] и Стивен Вайнберг [ 3 ] была удостоена Нобелевской премии по физике 1979 года за их вклад в объединение слабых и электромагнитных взаимодействий между элементарными частицами , известным как теория Вайнберга -Салам . [ 4 ] [ 5 ] Существование электроводных взаимодействий было экспериментально установлено на двух этапах, первым из которых было обнаружение нейтральных токов в нейтрино рассеяние в результате сотрудничества Гаргамелле в 1973 году, а второе - в 1983 году с помощью UA1 и сотрудничества UA2 , которые включали обнаружение W. и z -калибровые бозоны в протон -антипротонных столкновениях на преобразованном супер -протоном синхротроне . В 1999 году Джерардус Т. Хофт и Мартинус Велтман были удостоены Нобелевской премии за то, что показали, что теория электропроизводства перенормируется .
История
[ редактировать ]После того, как эксперимент WU в 1956 году обнаружил нарушение паритета в слабом взаимодействии , начал поиск, чтобы связать слабые и электромагнитные взаимодействия . Расширяя своего докторского советника Джулиана Швингера работу , Шелдон Глашоу впервые экспериментировал с введением двух разных симметрий, одного хирала и одного ахирала, и объединил их так, что их общая симметрия была непрерывной. Это не дало перенормируемой теории , и ее датчика должна была быть сломана вручную, поскольку не был известен не известный механизм , но она предсказывала новую частицу, z -бозон . Это получило мало уведомления, так как это не соответствовало экспериментальным открытиям.
В 1964 году Салам и Джон Клайв Уорд [ 6 ] Имел ту же идею, но предсказал безмассовый фотон и три массивных калибровочных бозона с сломанной симметрией вручную. Позже, примерно в 1967 году, исследуя спонтанное нарушение симметрии , Вайнберг обнаружил, что набор симметрий, предсказывающий безмассовый, нейтральный бозон . Первоначально отвергая такую частицу, как бесполезную, он позже понял, что его симметрия создала силу электропроизводства, и он продолжил прогнозировать грубые массы для бозонов W и Z. Примечательно, что он предположил, что эта новая теория была перенормированной. [ 3 ] В 1971 году Джерард Туфт доказал, что спонтанно сломанные симметрии калибра перенормируются даже с массивными бозонами.
Формулировка
[ редактировать ]

В
и
С
бозоны.
Математически, электромагнетизм объединяется со слабыми взаимодействиями как поле Ян -Миллса с SU (2) × U (1) группой датчика , которая описывает формальные операции, которые могут быть применены к полям Electroweak Lauge без изменения динамики системы Полем Эти поля являются слабыми изоспиновыми полями W 1 , W 2 и W 3 и слабым гиперзаряжным полем B. , Эта инвариантность известна как Electroweak Symmetry .
Генераторам слабым SU (2) и U (1) получают имя изоспином (меченным T ) и слабым гиперзарядом (помечены Y ) соответственно. Затем они приводят к измерению бозонов, которые опосредуют электрословные взаимодействия - три бозона слабых изоспинов ( W 1 , W 2 и W 3 ) и B -бозон слабых гиперзарядов, соответственно, все из которых «изначально» являются «изначально». бесцветный. Это еще не физические поля, прежде чем разорвать спонтанную симметрию и связанный механизм Хиггса .
В стандартной модели наблюдаемые физические частицы,
В ±
и
С 0
Бозоны и фотон , образуются посредством спонтанной симметрии, разбивающейся электропроизводной симметрии SU (2) × u (1) y до u (1) em , [ B ] Поэтапный механизм Хиггса (см. Также Бозон Хиггса ), сложное теоретичное явление квантового поля, которое «спонтанно» изменяет реализацию симметрии и переставляет степени свободы. [ 8 ] [ 9 ] [ 10 ] [ 11 ]
Электрический заряд возникает как конкретная линейная комбинация (нетривиальная) y w (слабый гиперзаряд) и компонент T 3 слабого изоспина ( ) это не пары на бозон Хиггса . То есть: Хиггс и электромагнитное поле не влияют друг на друга, на уровне фундаментальных сил («уровень дерева»), в то время как любая другая комбинация гиперзаряда и слабой изоспины должна взаимодействовать с Хиггсом. Это вызывает очевидное разделение между слабой силой, которая взаимодействует с Хиггсом, и электромагнетизмом, которого нет. Математически электрический заряд представляет собой конкретную комбинацию гиперзаряда и T 3 , изложенной на рисунке.
U (1) EM (только группа симметрии только электромагнетизма) определяется как группа, генерируемая этой специальной линейной комбинацией, и симметрия, описанная группа U (1) EM , не разбита, поскольку она не напрямую взаимодействует с Хиггсом Полем [ C ]
Вышеупомянутое спонтанное разрыв симметрии заставляет бозоны W 3 и B объединяться в два разных физических бозона с разными массами -
С 0
бозон и фотон (
в
),
где θ w - слабый угол смешивания . Оси, представляющие частицы, по существу только что были повернуты в плоскости ( w 3 , b ) под углом θ w . Это также вводит несоответствие между массой
С 0
и масса
В ±
частицы (обозначаемые как m z и m w , соответственно),
Бозоны W 1 и W 2 , в свою очередь, объединяются для получения заряженных массивных бозонов
В ±
:
Лагранжиан
[ редактировать ]Перед разрушением симметрии с электроу
[ редактировать ]Лагранжиан разбивание для электропроизвольных взаимодействий делится на четыре части, прежде чем электроиковой симметрии проявится,
А Термин описывает взаимодействие между тремя векторными бозонами и векторным бозоном,
где ( ) и Являются ли тензоры силы поля для слабых изоспинов и слабых полей гиперзарядов.
является кинетическим термином для стандартных модельных фермионов. Взаимодействие калибровочных бозонов и фермионов проходит через калибровочную производную ,
где подписание J суммирует в течение трех поколений фермионов; Q , U и D -левша Doublet, правый синглет вверх и правый синглет вниз по полям Quark; и L и E -левша Doublet и правые синглетные электронные поля. Фейнман Слэш означает сокращение 4-градиента с матрицами Dirac , определяемое как
и ковариантная производная (за исключением поля датчика Gluon для сильного взаимодействия ) определяется как
Здесь слабый гиперзаряд и являются компонентами слабого изоспина.
А Термин описывает поле Хиггса и его взаимодействие с собой и базовыми бозонами,
где это вакуумное значение ожидания.
А Термин описывает взаимодействие Юкава с Фримионами,
и генерирует свои массы, проявляясь, когда поле Хиггса приобретает ненулевую вакуумную ценность ожидания, обсуждается дальше. А для матрицы муфт юкавы.
После разрыва симметрии электропроизводства
[ редактировать ]Лагранжиан реорганизует себя, поскольку поле Хиггса приобретает неванирующую вакуумную ценность ожидания, продиктованную потенциалом предыдущего раздела. В результате этого переписывания становится проявленным разрыв симметрии. В истории вселенной это, как полагают, произошло вскоре после горячего большого взрыва, когда вселенная оказалась в температуре 159,5 ± 1,5 ГЭВ [ 12 ] (при условии стандартной модели физики частиц).
Из -за своей сложности этот лагранжиан лучше всего описывается, разбивая его на несколько частей следующим образом.
Кинетический термин Содержит все квадратичные термины Лагранжиана, которые включают динамические термины (частичные производные) и массовые термины (заметно отсутствуют в Лагранжиане перед разрушением симметрии)
где сумма проходит над всем и даны как
с быть замененным соответствующим поле ( ) и f азбука константами структуры соответствующей группы.
Нейтральный ток и заряжено Компоненты Лагранжианы содержат взаимодействие между фермионами и калибровочными бозонами,
где Электромагнитный ток является
где это электрические заряды Фримионов. Нейтральный слабый ток является
где это слабый изоспин фермионов. [ D ]
Заряженная текущая часть лагранжиана дается
где Поле с правой матрицей синглета и матрица CKM Определяет смешивание между массой и слабыми собственными состояниями кварков. [ D ]
содержит трехточечные и четырехточечные термины самообслуживания Хиггса,
содержит взаимодействие Хиггса с векторными бозонами,
содержит трехточечное самостоятельное взаимодействие.
содержит калибровую четырехточечное самостоятельное взаимодействие,
содержит взаимодействие Юкавы между Фримионами и поле Хиггса,
Смотрите также
[ редактировать ]- Electroweak Star
- Фундаментальные силы
- История теории квантового поля
- Стандартная модель (математическая формулировка)
- Университетская датчик
- Вайнберг Энгл
- Ян -мильс теория
Примечания
[ редактировать ]- ^ Конкретное число 246 ГЕВ считается вакуумным ожиданием поля Хиггса (где является постоянной муфты Ферми ).
- ^ Обратите внимание, что u (1) y и u (1) em являются отдельными случаями общего U (1) : каждая из двух сил получает свою собственную независимую копию унитарной группы.
- ^ Хотя электромагнетизм - например, фотон - не взаимодействует напрямую с бозоном Хиггса взаимодействует , он действительно через квантовые колебания .
- ^ Jump up to: а беременный Обратите внимание на факторы В слабых формулах связи: эти факторы преднамеренно вставлены для удаления любых левша, компонентов спинорных полей. Вот почему теория электропроизводства считается « хиральной теорией ».
Ссылки
[ редактировать ]- ^ Glashow, S. (1959). «Перенормированность векторных мезоновских взаимодействий». Нукле Физический 10 , 107.
- ^ Салам, А .; Уорд, JC (1959). «Слабые и электромагнитные взаимодействия». Nuovo Cimento . 11 (4): 568–577. Bibcode : 1959ncim ... 11..568s . doi : 10.1007/bf02726525 . S2CID 15889731 .
- ^ Jump up to: а беременный Вайнберг, S (1967). «Модель лептонов» (PDF) . Физический Преподобный Летт 19 (21): 1264–66. Bibcode : 1967 phrvl..19.1264w . doi : 10.1103/physrevlett.19.1264 . Архивировано из оригинала (PDF) 2012-01-12.
- ^ С. Байс (2005). Уравнения: значки знаний . п. 84 ISBN 0-674-01967-9 .
- ^ «Нобелевская премия по физике 1979 года» . Нобелевский фонд . Получено 2008-12-16 .
- ^ Салам, А.; Уорд, JC (ноябрь 1964 г.). «Электромагнитные и слабые взаимодействия» . Физические буквы . 13 (2): 168–171. Bibcode : 1964phl .... 13..168s . doi : 10.1016/0031-9163 (64) 90711-5 .
- ^ Ли, Т.Д. (1981). Физика частиц и введение в теорию поля .
- ^ Englert, F.; Брут Р. (1964). «Сломанная симметрия и масса измерения векторных мезонов» . Письма о физическом обзоре . 13 (9): 321–323. Bibcode : 1964phrvl..13..321e . doi : 10.1103/physrevlett.13.321 .
- ^ Хиггс, PW (1964). «Сломанные симметрии и массы калибровочных бозонов» . Письма о физическом обзоре . 13 (16): 508–509. Bibcode : 1964phrvl..13..508h . doi : 10.1103/physrevlett.13.508 .
- ^ Guralnik, GS; Хаген, кр; Kibble, Twb (1964). «Глобальные законы о сохранении и безмасштабные частицы» . Письма о физическом обзоре . 13 (20): 585–587. Bibcode : 1964phrvl..13..585g . doi : 10.1103/physrevlett.13.585 .
- ^ Guralnik, GS (2009). «История развития Guralnik, Hagen и Kibble теории спонтанной симметрии разбивает и датчики». Международный журнал современной физики а . 24 (14): 2601–2627. Arxiv : 0907.3466 . Bibcode : 2009ijmpa..24.2601g . doi : 10.1142/s0217751x09045431 . S2CID 16298371 .
- ^ Д'Онофрио, Микела; Rummukainen, Kari (2016). «Стандартная модель перекрестка на решетке». Физический Преподобный д . 93 (2): 025003. Arxiv : 1508.07161 . Bibcode : 2016 Phrvd..93b5003d . doi : 10.1103/physrevd.93.025003 . HDL : 10138/159845 . S2CID 119261776 .
Дальнейшее чтение
[ редактировать ]Общие читатели
[ редактировать ]- Ба Шум (2004). В глубине души: захватывающая дух красота физики частиц . Johns Hopkins University Press. ISBN 0-8018-7971-X Полем Передает большую часть стандартной модели без формальной математики. Очень тщательно при слабом взаимодействии.
Тексты
[ редактировать ]- DJ Griffiths (1987). Введение в элементарные частицы . Джон Уайли и сыновья. ISBN 0-471-60386-4 .
- W. Greiner; Б. Мюллер (2000). Калибровочная теория слабых взаимодействий . Спрингер. ISBN 3-540-67672-4 .
- Г.Л. Кейн (1987). Современная физика элементарных частиц . Персей книги . ISBN 0-201-11749-5 .
Статьи
[ редактировать ]- Es Abers; BW Lee (1973). «Основные теории». Физические отчеты . 9 (1): 1–141. Bibcode : 1973phr ..... 9 .... 1a . doi : 10.1016/0370-1573 (73) 90027-6 .
- Ю. Хаято; и др. (1999). "Поиск протона распада через P → νk + Черенкова обзор . В Физическое большом " детекторе .
- J. Hucks (1991). «Глобальная структура стандартной модели, аномалий и квантования заряда». Физический обзор d . 43 (8): 2709–2717. Bibcode : 1991 phrvd..43.2709h . doi : 10.1103/physrevd.43.2709 . PMID 10013661 .
- SF Novaes (2000). «Стандартная модель: введение». arxiv : hep-ph/0001283 .
- DP Roy (1999). «Основные избиратели материи и их взаимодействия - отчет о прогрессе». arxiv : hep-ph/9912523 .