Електрослабата теория и механизма на Хигс

Публикувано на 24.02.2014 by Vanya Mileva

Няма коментари Оставете коментар Теми: Хигс – поле, механизъм, частица

За първи път, през 1967 г. независимо един от друг от Стивън Вайнберг(Steven Weinberg) и Абдул Салам (Abdus Salam) предлагат модел на слабите взаимодействия на базата на теорията на Янг-Милс, в която калибровъчните кванти придобиват маса чрез Хигс-механизма.

Най-забележителната черта на слабите сили е малкият им радиус на действие – те имат забележим ефект едва на разстояние 10^-15 cm или около 1/100 радиус на протона. Малкият радиус на взаимодействие предполага, че виртуалните частици, които се разменят при слабото взаимодействие са много масивни. Съвременните оценки на масите на тези частици са между 80 и 100 пъти масата на протона.

Моделът на Уайнбърг – Салам всъщност обединява слабите и електромагнитните сили. Те изказали следната хипотеза: природата на слабите и електромагнитните взаимодействия е единна, тъй като при малки разстояния слабите взаимодействия са сравними по сила с електромагнитните. С други думи, при енергии над няколко стотин GeV, електромагнитното и слабото взаимодействия стават неразличими по интензитет, те като че ли се сливат в едно електрослабо взаимодействие.

Интересно е, че когато Вайнберг и Салам правят това предположението, промеждутъчните векторни бозони още не са открити, това става доста по-късно – през 1983 г.

Уайнбърг и Салам стигат до заключението за съществуването на единно електрослабо взаимодействие въз основата на две нови фундаментални физични идеи:

локалната калибровъчна инвариантност;
спонтанното нарушаване на симетрията.

От хипотезата следва, че при малки разстояния промеждутъчните бозони не се различават по своите свойства от фотоните, което означава, че промеждутъчните векторни бозони и фотоните са всъщност две прояви на една и съща частица, която пренася взаимодействието, иначе силата няма да е една и съща - електрослаба. Това е възможно само тогава, когато се изпълнява принципа на локална калибровъчна инвариантност или симетрия.

Установено е, че при промяна на мащаба, т.е. с намаляване на разстоянията, преносителите на електрослабото взаимодействие преминават от една негова проява – фотоните – в друга – промеждутъчните векторни бозони.

Електромагнитно взаимодействие	Слаби взаимодействия

Взаимодействията на W^±- и Z-бозоните с фермионите – неутрино, кварки, електрони и т.н., са по принцип същите както взаимодействията на фотона. Например, фотонът взаимодейства с електрическия заряд на електрона и електрическия ток, създаван от движещ се електрон. По същия начин, Z-бозонът взаимодейства със заряда на електрона и тока, възникващ когато електронът се движи, само че този заряд и ток не съвпадат с електрическите.

Как обаче промеждутъчните векторни бозони и фотоните могат да бъдат прояви на едни и същи частици, ако масата на фотона е равна на нула, а промеждутъчните векторни бозони имат много големи маси? Вайнберг и Салам намерили решение на тази загадка – идеята им била, че промеждутъчните бозони могат да придобиват масата си в резултат на механизма на Хигс и спонтанното нарушаване на симетрията.

Как става това?

Задачата на Уайнбърг – Салам е да се добави спонтанно нарушаване на симетрията на електрослабата SU (2) х U (1) калибровъчна теория, така че да се даде маса за преносителите на слабото взаимодействие, като се приносителят електромагнитното взаимодействие (фотонът) остане безмасов.

Предположението, върху което е построен този модел, е свързано с локалната инвариантност на изоспина и за да се запази тази инвариантност са въведени четири фотонообразни полета (W₁ , W₂, W₃ и В ), а не три, както е в оригиналната теория на Янг-Милс. Четвъртият фотон (В) се идентифицира с някаква форма на електромагнетизъм.

Първоначално, всички четири полета в модела Уайнбърг – Салам имат безкраен обсег на действие и затова бозоните на тези полета са безмасови. Едно от полетата носи отрицателен електрически заряд, друго – положителен заряд, а останалите две полета са неутрални.

Въвеждат се и четири Хигс полета като всяко поле е представено със скаларна частица. Три Хигс-частици се поглъщат от частици на Янг-Милс, така че и двете заредени полета на Янг-Милс и едното неутрално поле придобиват голяма маса. Тези частици са наречени масивни промеждутъчни векторни бозони W ⁺ , W ^- и Z°. Четвъртата Янг-Милсова частица, която е неутрална, остава безмасова – тя е просто фотон на обикновената теория на електромагнетизма. Трите Хигсови частици, които са дали маса на Янг-Милсовите полета стават ненаблюдаеми, но една Хигс частица не е погълната и може да се наблюдава при енергии, достатъчни за раждането й.


Първите заредени частици на Янг-Милс W₁ и W₂ ”изяждат” заредените Хигс (Голдстоун) бозони, превръщайки се в промеждутъчни W⁺ и W^-бозони.	W₃ и В се комбинират и “изяждат неутралния Хигс / Голдстоун бозон и формират масивен Z° бозон. Фотонът, останал безмасов – излита.
Илюстрация: Flip Tanedo

Малко сметки на степени на свобода

Защо се случват точно тези комбинации? Това се контролира от броя на “степените на свобода“, които могат да се обяснят като броя на позволените различни състояния на частиците.

Можем да пресметнем: два безмасови векторни бозона (2 × 2 състояния = 4 степени на свобода) и два скаларни Хигс бозона (две степени на свобода) и общо шест степени на свобода. След спонтанното нарушаване на симетрията, имаме два масивни калибровъчни бозони (2 × 3 състояния), и отново общо шест степени на свобода. А с неутралните частици имаме два безмасови векторни бозона (2 × 2 състояния = 4 степени на свобода) и един скаларен Хигс бозон с една степен на свобода – общо пет степени на свобода. След “изяждането” остават един масивен калибровъчен Z°-бозон с 3 състояния и един фотон ( безмасов векторен бозон) с 2 състояния и сметката отново излиза 3+2=5.	Скаларните частици имат 1 състояние, за всеки безмасов векторен бозон -2 състояния, а масивните векторни калибровъчни бозони имат по 3 състояния.

Можем да пресметнем: два безмасови векторни бозона (2 × 2 състояния = 4 степени на свобода) и два скаларни Хигс бозона (две степени на свобода) и общо шест степени на свобода. След спонтанното нарушаване на симетрията, имаме два масивни калибровъчни бозони (2 × 3 състояния), и отново общо шест степени на свобода.

А с неутралните частици имаме два безмасови векторни бозона (2 × 2 състояния = 4 степени на свобода) и един скаларен Хигс бозон с една степен на свобода – общо пет степени на свобода. След “изяждането” остават един масивен калибровъчен Z°-бозон с 3 състояния и един фотон ( безмасов векторен бозон) с 2 състояния и сметката отново излиза 3+2=5.

Скаларните частици имат 1 състояние, за всеки безмасов векторен бозон -2 състояния, а масивните векторни калибровъчни бозони имат по 3 състояния.

Полето на Хигс има четири степени на свобода, три от които взаимодействат с бозоните на на Янг-Милс. Четвъртата степен на свобода е това, което ние виждаме като Хигс бозона с125Gev. В известен смисъл, този Хигс бозон, който се търсеше в ЦЕРН е страничен продукт, това, което е останало след като полето на Хигс си е свършило работата. Хигс бозонът получава своята маса от механизма на Хигс точно както W и Z бозоните.

Спонтанното нарушаване на симетрията

Представете си гладка повърхност под формата на мексиканска шапка – сомбреро, а на върха ѝ – топче. Тази система има осева симетрия, но е неустойчива. и под влиянието на произволно малко смущение, топчето ще падне в полите на шапката.Това ново положение на топчето е устойчиво, тъй като то съответства на минимума потенциална енергия в гравитационното поле на Земята. Устойчивостта е заплатена със спонтанно нарушаване на симетрията.

Това наблюдавано състояние на системата не отразява симетрията на взаимодействията, които се проявяват в системата. Началната ротационна симетрия на силите и в тази устойчива конфигурация все още съществува, но в скрит вид.

По същия начин, в най-общи линии, механизмът на спонтанно нарушение на локалната калибровъчна симетрия, която осигурява “липсата на маса” на промеждутъчните бозони и идентичността им с фотоните, води до поява на маса на промеждутъчните бозони и всички различия във външните прояви на слабото и електромагнитното взаимодействия.

Слаби неутрални токове

Най-интересна прогноза на модела е необходимостта от съществуването на наличието на Z°-бозона. които не се разглеждаше по-рано в изследването на слабите сили. Тази частица е идентична с фотона във всяко отношение с изключение на масата, Без Z°-бозона всяко слабо взаимодействие води до промяна в електрически заряд.

Z°-бозонът обуславя нов тип слаби взаимодействия, свързани със слаб неутрален ток. Обменяйки си Z°-бозони, частиците могат да си взаимодействат без предаване на заряд, запазвайки оригиналните си свойства.

В семинар в CERN на 19 юли 1973 г., Пол Мюсе (Paul Musset) в сътрудничеството с Gargamelle представя първото пряко доказателство за съществуването на слабите неутрални токове. В експеримент в LHC, при който неутрино се излъчва от адрон (протон или неутрон), са получили следи от адронен слаб неутрален ток. Този факт е един от поредицата доказателства потвърдил единната теория на електрослабите взаимодействия.