Interação eletrofraca - Electroweak interaction

Na física de partículas , a interação eletrofraca ou força eletrofraca é a descrição unificada de duas das quatro interações fundamentais conhecidas da natureza: o eletromagnetismo e a interação fraca . Embora essas duas forças pareçam muito diferentes nas energias baixas do dia-a-dia, a teoria as modela como dois aspectos diferentes da mesma força. Acima da energia de unificação , da ordem de 246  GeV , eles se fundiriam em uma única força. Assim, se o universo estiver quente o suficiente (aproximadamente 10 15  K , uma temperatura não excedida desde logo após o Big Bang ), então a força eletromagnética e a força fraca se fundem em uma força eletrofraca combinada. Durante a época do quark , a força eletrofraca se divide em força eletromagnética e fraca .

Sheldon Glashow , Abdus Salam e Steven Weinberg receberam o Prêmio Nobel de Física de 1979 por suas contribuições para a unificação da interação fraca e eletromagnética entre partículas elementares , conhecida como teoria de Weinberg-Salam . A existência das interações eletrofracas foi estabelecida experimentalmente em duas etapas, a primeira sendo a descoberta de correntes neutras no espalhamento de neutrinos pela colaboração Gargamelle em 1973, e a segunda em 1983 pelas colaborações UA1 e UA2 que envolveram a descoberta do W e bósons de calibre Z em colisões próton-antipróton no Síncrotron Super Próton convertido . Em 1999, Gerardus 't Hooft e Martinus Veltman receberam o prêmio Nobel por mostrar que a teoria eletrofraca é renormalizável .

História

Depois que o experimento Wu descobriu a violação de paridade na interação fraca , uma busca começou por uma maneira de relacionar as interações fracas e eletromagnéticas . Estendendo o trabalho de seu orientador de doutorado Julian Schwinger , Sheldon Glashow primeiro experimentou introduzir duas simetrias diferentes, uma quiral e uma aquiral, e combinou-as de forma que sua simetria geral permanecesse ininterrupta. Este não deu um renormalizável teoria , e a sua simetria de calibre tinha que ser quebrada pela mão como nenhum mecanismo espontânea era conhecida, mas previu uma nova partícula, o Z Higgs . Isso recebeu pouca atenção, uma vez que não correspondeu a nenhum achado experimental.

Em 1964, Salam e Ward tiveram a mesma ideia, mas previram um fóton sem massa e três bósons de calibre massivo com uma simetria quebrada manualmente. Mais tarde, por volta de 1967, enquanto investigava a quebra espontânea de simetria , Weinberg encontrou um conjunto de simetrias prevendo um bóson de calibre neutro sem massa . Inicialmente rejeitando tal partícula tão inútil, mais tarde ele percebeu que suas simetrias produziu a força eletrofraca, e ele passou a prever massas bruto para W e Z bósons . Significativamente, ele sugeriu que essa nova teoria era renormalizável. Em 1971, Gerard 't Hooft provou que simetrias de calibre quebradas espontaneamente são renormalizáveis ​​mesmo com bósons de calibre massivos.

Formulação

O ângulo de mistura fraco de Weinberg θ W e a relação entre as constantes de acoplamento g, g ′ e e . Adaptado de Lee (1981).
O padrão de isospin fraca , T 3 , e hipercarga fraca , Y W , das partículas elementares conhecidas, mostrando a carga elétrica, Q , ao longo do ângulo de mistura fraco . O campo neutro de Higgs (circulado) quebra a simetria eletrofraca e interage com outras partículas para dar-lhes massa. Três componentes do campo de Higgs tornam-se parte do maciço
C
e
Z
bósons.

Matematicamente, o eletromagnetismo é unificado com as interações fracas como um campo de Yang-Mills com um grupo de calibre SU (2) × U (1) , que descreve as operações formais que podem ser aplicadas aos campos de calibre eletrofraco sem alterar a dinâmica do sistema . Esses campos são os campos isospin fracos W 1 , W 2 e W 3 , e o campo B de hipercarga fraca . Essa invariância é conhecida como simetria eletrofraca .

Os geradores de SU (2) e U (1) recebem o nome de isospin fraca (marcada como T ) e hipercarga fraca (marcada como Y ), respectivamente. Estes então dão origem aos bósons de calibre que medeiam as interações eletrofracas - os três bósons W de isospin fraca ( W 1 , W 2 e W 3 ) e o bóson B de hipercarga fraca, respectivamente, todos os quais são "inicialmente" sem massa. Esses ainda não são campos físicos, antes da quebra espontânea da simetria e do mecanismo de Higgs associado .

No modelo padrão , o
C±
e
Z0
bósons
, e o fóton , são produzidos através da quebra espontânea de simetria da simetria eletrofraca SU (2) × U (1) Y a U (1) em , efetuada pelo mecanismo de Higgs (ver também bóson de Higgs ), um campo quântico elaborado fenômeno teórico que "espontaneamente" altera a realização da simetria e reorganiza os graus de liberdade.

A carga elétrica surge como a combinação linear particular (não trivial) de Y W (hipercarga fraca) e o componente T 3 do isospin fraco que não se acopla ao bóson de Higgs . Ou seja: o Higgs e o campo eletromagnético não têm efeito um sobre o outro, ao nível das forças fundamentais ("nível da árvore"), enquanto qualquer outra combinação da hipercarga e do isospin fraco deve interagir com o Higgs. Isso causa uma separação aparente entre a força fraca, que interage com o Higgs, e o eletromagnetismo, que não. Matematicamente, a carga eléctrica é uma combinação específica da hipercarga e T 3 delineado na figura.

U (1) em (o grupo de simetria do eletromagnetismo apenas) é definido como o grupo gerado por esta combinação linear especial, e a simetria descrita pelo grupo U (1) em é ininterrupta, uma vez que não interage diretamente com o Higgs .

A quebra de simetria espontânea acima faz com que os bósons W 3 e B se aglutinem em dois bósons físicos diferentes com massas diferentes - o
Z0
bóson, e o fóton (
γ
),

onde θ W é o ângulo de mistura fraco . Os eixos representam as partículas têm, essencialmente, apenas sido rodado, no ( W 3 , B ) plano, pelo ângulo θ W . Isso também introduz uma incompatibilidade entre a massa do
Z0
e a massa do
C±
partículas (denotadas como m Z e m W , respectivamente),

Os bósons W 1 e W 2 , por sua vez, se combinam para produzir os bósons massivos carregados
C±
:

Lagrangiano

Antes da quebra de simetria eletrofraca

O Lagrangiano para as interações eletrofracas é dividido em quatro partes antes que a quebra de simetria eletrofraca se manifeste,

O termo descreve a interação entre os três bósons vetoriais W e o bóson vetor B ,

,

onde ( ) e são os tensores de intensidade de campo para os campos de medidor de isospin fraco e hipercarga fraca.

é o termo cinético para os férmions do Modelo Padrão. A interação dos bósons de calibre e os férmions se dá por meio da derivada covariante de calibre ,

,

onde o subscrito j soma ao longo das três gerações de férmions; Q , u e d são os campos de quark para baixo do dubleto canhoto, singuleto up destro e singuleto destro; e L e e são os campos de elétrons do dupleto e singlete da mão esquerda. A barra de Feynman significa a contração do gradiente 4 com as matrizes de Dirac

e a derivada covariante é (excluindo o campo gluon gauge para a interação forte )

Aqui está a hipercarga fraca e são os componentes da isospin fraca.

O termo descreve o campo de Higgs e suas interações consigo mesmo e com os bósons de calibre,

,

onde está o valor de expectativa de vácuo.

O termo descreve a interação de Yukawa com os férmions,

e gera suas massas, manifestas quando o campo de Higgs adquire um valor de expectativa de vácuo diferente de zero, discutido a seguir. O são matrizes de acoplamentos Yukawa.

Após a quebra de simetria eletrofraca

O Lagrangiano se reorganiza à medida que o bóson de Higgs adquire um valor de expectativa de vácuo que não desaparece ditado pelo potencial da seção anterior. Como resultado dessa reescrita, a quebra de simetria se torna manifesta. Na história do universo, acredita-se que isso tenha acontecido logo após o big bang quente, quando o universo estava a uma temperatura de 159,5 ± 1,5  GeV (assumindo o modelo padrão da física de partículas).

Devido à sua complexidade, este Lagrangiano é melhor descrito dividindo-o em várias partes como segue.

O termo cinético contém todos os termos quadráticos do Lagrangiano, que incluem os termos dinâmicos (as derivadas parciais) e os termos de massa (visivelmente ausentes do Lagrangiano antes da quebra de simetria)

onde a soma é executado sobre todos os férmions da teoria (quarks e léptons), e os campos , , , e são dadas como

com ' ' a ser substituído pelo campo relevante ( , , ), e f abc pelas constantes de estrutura do grupo de calibre apropriado.

Os componentes da corrente neutra e da corrente carregada do Lagrangiano contêm as interações entre os férmions e os bósons de calibre,

onde a corrente eletromagnética é

onde estão as cargas elétricas dos férmions. A corrente neutra fraca é

onde está o isospin fraco dos férmions.

A parte da corrente carregada do Lagrangiano é dada por

onde está o campo de neutrino singuleto destro, e a matriz CKM determina a mistura entre a massa e os autoestados fracos dos quarks.

contém os termos de interação própria de três e quatro pontos de Higgs,

contém as interações de Higgs com bósons de vetores de calibre,

contém as interações próprias de três pontos do medidor,

contém as interações automáticas de quatro pontos do medidor,

contém as interações Yukawa entre os férmions e o campo de Higgs,

Veja também

Notas

Referências

Leitura adicional

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