En física de partículas , la interacción electrodébil o fuerza electrodébil es la descripción unificada de dos de las interacciones fundamentales de la naturaleza: el electromagnetismo (interacción electromagnética) y la interacción débil . Aunque estas dos fuerzas parecen muy diferentes a las bajas energías cotidianas, la teoría las modela como dos aspectos distintos de la misma fuerza. Por encima de la energía de unificación , del orden de 246 GeV , [ a ] se fusionarían en una sola fuerza. Así, si la temperatura es suficientemente alta (aproximadamente 10¹⁵ K ) , la fuerza electromagnética y la fuerza débil se fusionan en una fuerza electrodébil combinada.
Durante la época de los quarks (poco después del Big Bang ), la fuerza electrodébil se dividió en la fuerza electromagnética y la fuerza débil . Se cree que la temperatura requerida de 10¹⁵ K no se ha visto ampliamente en todo el universo desde antes de la época de los quarks, y actualmente la temperatura más alta creada por el hombre en equilibrio térmico es de alrededor de5,5 × 10 12 K (del Gran Colisionador de Hadrones ).
Sheldon Glashow , [ 1 ] Abdus Salam , [ 2 ] y Steven Weinberg [ 3 ] fueron galardonados con el Premio Nobel de Física de 1979 por sus contribuciones a la unificación de la interacción débil y electromagnética entre partículas elementales , conocida como la teoría de Weinberg-Salam . [ 4 ] [ 5 ] La existencia de las interacciones electrodébiles se estableció experimentalmente en dos etapas, la primera fue el descubrimiento de corrientes neutras en la dispersión de neutrinos por la colaboración Gargamelle en 1973, y la segunda en 1983 por las colaboraciones UA1 y UA2 que involucraron el descubrimiento de los bosones de gauge W y Z en colisiones protón-antiprotón en el Super Sincrotrón de Protones convertido . En 1999, Gerardus 't Hooft y Martinus Veltman fueron galardonados con el Premio Nobel por demostrar que la teoría electrodébil es renormalizable .
Historia
Tras el experimento de Wu en 1956, que descubrió la violación de la paridad en la interacción débil , se inició la búsqueda de una forma de relacionar las interacciones débil y electromagnética . Ampliando el trabajo de su director de tesis doctoral , Julian Schwinger , Sheldon Glashow experimentó introduciendo dos simetrías diferentes, una quiral y otra aquiral, y las combinó de tal manera que su simetría global permaneciera intacta. Esto no produjo una teoría renormalizable , y su simetría de gauge tuvo que romperse manualmente, ya que no se conocía ningún mecanismo espontáneo , pero predijo una nueva partícula, el bosón Z. Este descubrimiento pasó prácticamente desapercibido, puesto que no coincidía con ningún hallazgo experimental.
En 1964, Salam y John Clive Ward [ 6 ] tuvieron la misma idea, pero predijeron un fotón sin masa y tres bosones de gauge masivos con una simetría rota manualmente. Más tarde, alrededor de 1967, mientras investigaba la ruptura espontánea de simetría , Weinberg encontró un conjunto de simetrías que predecían un bosón de gauge neutro y sin masa . Inicialmente rechazó dicha partícula por inútil, luego se dio cuenta de que sus simetrías producían la fuerza electrodébil, y procedió a predecir masas aproximadas para los bosones W y Z. Significativamente, sugirió que esta nueva teoría era renormalizable. [ 3 ] En 1971, Gerard 't Hooft demostró que las simetrías de gauge rotas espontáneamente son renormalizables incluso con bosones de gauge masivos.
Formulación


Matemáticamente, el electromagnetismo se unifica con las interacciones débiles como un campo de Yang-Mills con un grupo de gauge SU(2) × U(1) , que describe las operaciones formales que se pueden aplicar a los campos de gauge electrodébiles sin alterar la dinámica del sistema. Estos campos son los campos de isospín débiles W 1 , W 2 , y W 3 , y el campo de hipercarga débil B . Esta invariancia se conoce como simetría electrodébil .
Los generadores de SU(2) y U(1) se denominan isospín débil (etiquetado como T ) e hipercarga débil (etiquetado como Y ) , respectivamente. Estos dan lugar a los bosones de gauge que median las interacciones electrodébiles: los tres bosones W de isospín débil ( W₁ , W₂ y W₃ ) y el bosón B de hipercarga débil, respectivamente, todos los cuales son inicialmente sin masa. Estos aún no son campos físicos, antes de la ruptura espontánea de simetría y el mecanismo de Higgs asociado .
En el Modelo Estándar , las partículas físicas observadas, el W ±y Z 0Los bosones y el fotón se producen mediante la ruptura espontánea de la simetría electrodébil SU(2) × U(1) y a U(1) em , [ b ] efectuada por el mecanismo de Higgs (véase también bosón de Higgs ), un elaborado fenómeno de la teoría cuántica de campos que altera "espontáneamente" la realización de la simetría y reorganiza los grados de libertad. [ 8 ] [ 9 ] [ 10 ] [ 11 ]
La carga eléctrica surge como la combinación lineal particular (no trivial) de Y w (hipercarga débil) y el componente T 3 de isospín débil () que no se acopla al bosón de Higgs . Es decir: el bosón de Higgs y el campo electromagnético no se afectan mutuamente a nivel de las fuerzas fundamentales ("nivel de árbol"), mientras que cualquier otra combinación de la hipercarga y el isospín débil debe interactuar con el bosón de Higgs. Esto provoca una aparente separación entre la fuerza débil, que interactúa con el bosón de Higgs, y el electromagnetismo, que no lo hace. Matemáticamente, la carga eléctrica es una combinación específica de la hipercarga y T 3 descrita en la figura.
U(1) em (el grupo de simetría del electromagnetismo solamente) se define como el grupo generado por esta combinación lineal especial, y la simetría descrita por el grupo U(1) em no se rompe, ya que no interactúa directamente con el bosón de Higgs. [ c ]
La ruptura espontánea de simetría anterior hace que los bosones W 3 y B se fusionen en dos bosones físicos diferentes con masas diferentes: el Z 0bosón y fotón ( γ ),
donde θ w es el ángulo de mezcla débil . Los ejes que representan las partículas se han rotado esencialmente, en el plano ( W 3 , B ), por el ángulo θ w . Esto también introduce un desajuste entre la masa del Z 0y la masa del W ±partículas (denominadas m z y m w , respectivamente),
Los bosones W 1 y W 2 , a su vez, se combinan para producir los bosones masivos cargados W ±: [ 12 ]
Lagrangiano
Antes de la ruptura de la simetría electrodébil
El lagrangiano para las interacciones electrodébiles se divide en cuatro partes antes de que se manifieste la ruptura de la simetría electrodébil ,
ElEl término describe la interacción entre los tres bosones vectoriales W y el bosón vectorial B.
dónde() yson los tensores de intensidad de campo para los campos de gauge de isospín débil e hipercarga débil.
es el término cinético para los fermiones del Modelo Estándar. La interacción de los bosones de gauge y los fermiones se produce a través de la derivada covariante de gauge ,
donde el subíndice j suma sobre las tres generaciones de fermiones; Q , u y d son los campos de quarks doblete levógiro, singlete dextrógiro hacia arriba y singlete dextrógiro hacia abajo; y L y e son los campos de electrones doblete levógiro y singlete dextrógiro. La barra de Feynmansignifica la contracción del 4-gradiente con las matrices de Dirac , definidas como
y la derivada covariante (excluyendo el campo de gauge del gluón para la interacción fuerte ) se define como
Aquíes la hipercarga débil y lason los componentes del isospín débil.
ElEl término describe el campo de Higgs.y sus interacciones consigo misma y con los bosones de gauge,
dóndees el valor esperado del vacío .
ElEl término describe la interacción de Yukawa con los fermiones,
y genera sus masas, que se manifiestan cuando el campo de Higgs adquiere un valor de expectativa de vacío distinto de cero, que se analiza a continuación.parason matrices de acoplamientos de Yukawa.
Tras la ruptura de la simetría electrodébil
El lagrangiano se reorganiza a medida que el campo de Higgs adquiere un valor esperado de vacío no nulo, dictado por el potencial de la sección anterior. Como resultado de esta reescritura, la ruptura de simetría se hace manifiesta. En la historia del universo, se cree que esto ocurrió poco después del Big Bang caliente, cuando el universo estaba a una temperatura159,5 ± 1,5 GeV [ 13 ] (suponiendo el Modelo Estándar de la física de partículas).
Debido a su complejidad, este lagrangiano se describe mejor dividiéndolo en varias partes como sigue.
El término cinéticocontiene todos los términos cuadráticos del lagrangiano, que incluyen los términos dinámicos (las derivadas parciales) y los términos de masa (notablemente ausentes del lagrangiano antes de la ruptura de simetría).
donde la suma se extiende sobre todos los fermiones de la teoría (quarks y leptones) y los camposyse dan como
conser reemplazado por el campo correspondiente () y f abc por las constantes estructurales del grupo de calibre apropiado.
La corriente neutray corriente cargadaLos componentes del lagrangiano contienen las interacciones entre los fermiones y los bosones de gauge,
dóndeLa corriente electromagnéticaes
dóndeson las cargas eléctricas de los fermiones. La corriente débil neutraes
dóndees el isospín débil de los fermiones. [ d ]
La parte de corriente cargada del lagrangiano viene dada por
dóndees el campo de neutrinos singlete diestros y la matriz CKMdetermina la mezcla entre los autoestados de masa y débiles de los quarks. [ d ]
contiene los términos de autointeracción de tres y cuatro puntos del bosón de Higgs,
contiene las interacciones de Higgs con bosones vectoriales de gauge,
contiene las interacciones de auto-punto de tres puntos del calibre,
contiene las interacciones de auto-punto de calibre de cuatro puntos,
contiene las interacciones de Yukawa entre los fermiones y el campo de Higgs,
Véase también
Notas
- ↑ El número particular 246 GeV se toma como el valor esperado del vacío.del campo de Higgs (dondees la constante de acoplamiento de Fermi ).
- ↑ Nótese que U(1) y y U(1) em son instancias distintas del U(1) genérico : cada una de las dos fuerzas obtiene su propia copia independiente del grupo unitario.
- ↑ Aunque el electromagnetismo – por ejemplo el fotón – no interactúa directamente con el bosón de Higgs , sí interactúa indirectamente , a través de fluctuaciones cuánticas .
- 1 2 Tenga en cuenta los factoresEn las fórmulas de acoplamiento débil: Estos factores se insertan deliberadamente para eliminar cualquier componente quiral izquierda de los campos espinoriales. Por eso se dice que la teoría electrodébil es una " teoría quiral ".
Referencias
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- ↑ Salam, A. ; Ward, JC (1959). "Interacciones débiles y electromagnéticas". Nuovo Cimento . 11 (4): 568– 577. Bibcode : 1959NCim...11..568S . doi : 10.1007/BF02726525 . S2CID 15889731 .
- 1 2 Weinberg, S (1967). "Un modelo de leptones" (PDF) . Phys. Rev. Lett . 19 (21): 1264– 66. Bibcode : 1967PhRvL..19.1264W . doi : 10.1103/PhysRevLett.19.1264 . Archivado del original (PDF) el 12 de enero de 2012.
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Lecturas adicionales
Lectores generales
- BA Schumm (2004). Deep Down Things: The Breathtaking Beauty of Particle Physics . Johns Hopkins University Press. ISBN 0-8018-7971-X.Transmite gran parte del Modelo Estándar sin utilizar matemáticas formales. Explica con mucho detalle la interacción débil.
Textos
- DJ Griffiths (1987). Introducción a las partículas elementales . John Wiley & Sons. ISBN 0-471-60386-4.
- W. Greiner; B. Müller (2000). Teoría de gauge de las interacciones débiles . Springer. ISBN 3-540-67672-4.
- EA Paschos (2023). Teoría electrodébil . Cambridge University Press . ISBN 978-1-009-40237-8.
Artículos
- ES Abers; BW Lee (1973). "Teorías de gauge". Physics Reports . 9 (1): 1– 141. Bibcode : 1973PhR.....9....1A . doi : 10.1016/0370-1573(73)90027-6 .
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- DP Roy (1999). "Constituyentes básicos de la materia y sus interacciones: un informe de progreso". arXiv : hep-ph/9912523 .
- teoría electrodébil
- Steven Weinberg