Elektroslabá interakce

Interakce elektroslabá tvoří základ jednotné teorie kvantové elektrodynamiky a slabé interakce v rámci standardní model . To bylo představeno v roce 1960 fyziky Sheldon Glashow , Steven Weinberg a Abdus Salam se shrnout na elektromagnetické a slabé interakce v jedné teorie. Za to obdrželi Nobelovu cenu za fyziku v roce 1979 poté, co byla teorie experimentálně potvrzena v 70. letech.

Zatímco v kvantové elektrodynamice je interakce popsána výměnou bezhmotného fotonu a je teoretickou verzí klasické elektrodynamiky kvantového pole , sjednocená teorie vysvětluje krátký dosah slabé interakce, kterou je např. B. Neutrino - Fyzika a rozpad beta působí, takže zde dochází k výměně mnohem těžších částic: nabitý W boson a neutrální Z boson s hmotami řádově Giga - elektronvolty  (GeV). ${\ displaystyle 10 ^ {2}}$

Elektroslabá teorie je také příkladem teorie měřicího pole se skupinou měřidel, která odpovídá produktu . Zde je zkratka pro dvourozměrnou speciální jednotnou skupinu a pro jednorozměrnou jednotnou skupinu . Charakter dvourozměrné matice je vyjádřením skutečnosti, že podíl slabé interakce v elektroslabé interakci převádí různé elementární částice na sebe. Naproti tomu před vlnovou funkcí je pouze jeden fázový faktor (násobení komplexním číslem ) . ${\ displaystyle SU (2) \ krát U (1)}$${\ displaystyle SU (2)}$${\ displaystyle U (1)}$${\ displaystyle U (1)}$

Nejjednodušší způsob, jak ilustrovat účinek elektroslabé interakce, je pomocí Feynmanových diagramů . Když se například rozpadne neutron beta , vytvoří se proton , elektron a anti neutrino. To lze popsat výměnou záporně nabitého W bosonu, který přeměňuje d kvark na u kvark v nukleonu a antineutrino na elektron v leptonech (viz obrázek vpravo).

Fyzika slabé a elektroslabé interakce

Pro fyzický popis je nutné kombinovat leptony nebo kvarky generace (nebo rodiny) s dubletem pro levicově chirální částice a se singlety pro pravicově chirálně částice . Elektroslabá interakce působí na následujících dubletu částic a singlety z fermiony :

Dublety ( slabý isospin T = ½)

Leptony			Elektrický náboj Q	Slabé přebití Y w	3. Složka slabého isospinu T z
${\ displaystyle {\ nu _ {e} \ vyberte e} _ {L}}$	${\ displaystyle {\ nu _ {\ mu} \ zvolit \ mu} _ {L}}$	${\ displaystyle {\ nu _ {\ tau} \ zvolit \ tau} _ {L}}$	${\ displaystyle {0} \ zvolit {-1}}$	${\ displaystyle {-1} \ zvolit {-1}}$	${\ displaystyle {+1/2} \ zvolit {-1/2}}$
Kvarky
${\ displaystyle {u \ choose d '} _ {L}}$	${\ displaystyle {c \ vyberte s '} _ {L}}$	${\ displaystyle {t \ vyberte b '} _ {L}}$	${\ displaystyle {2/3} \ zvolit {-1/3}}$	${\ displaystyle {1/3} \ vybrat {1/3}}$	${\ displaystyle {+1/2} \ zvolit {-1/2}}$

Fermiony podobné vzhůru jsou uvedeny výše. Jejich elektrický náboj je o 1 větší než u odpovídajících dolů podobných částic uvedených níže.

Singlety (slabý isospin T = 0)

1	2	3	Elektrický náboj Q	slabý přebití Y w
${\ displaystyle e_ {R} ^ {-}}$	${\ displaystyle \ mu _ {R} ^ {-}}$	${\ displaystyle \ tau _ {R} ^ {-}}$	${\ displaystyle -1}$	${\ displaystyle -2}$
${\ displaystyle u_ {R}}$	${\ displaystyle c_ {R}}$	${\ displaystyle t_ {R}}$	${\ displaystyle + {\ frac {2} {3}}}$	${\ displaystyle + {\ frac {4} {3}}}$
${\ displaystyle d_ {R}}$	${\ displaystyle s_ {R}}$	${\ displaystyle b_ {R}}$	${\ displaystyle - {\ frac {1} {3}}}$	${\ displaystyle - {\ frac {2} {3}}}$

Elektrický náboj je  chápán v jednotkách elementárního náboje e. Linka na d, s a b kvarků ukazuje, že se jedná o stavy slabé interakce a není pozorovatelné hmoty eigenstates . Tento rozdíl vede k CKM míchání kvarků.

Elektroslabá interakce také působí na přidružené antičástice a systémy složené z těchto částic.

Kromě elektrického náboje  Q , výše vyjmenované částice nesou nízké nabití Hyper  Y _W . Elektrický náboj souvisí s touto a třetí složkou slabého isospinu následovně:

${\ displaystyle Q = Y_ {W} / 2 + T_ {z}}$.

Kalibrační bosony

Stejně jako u všech teorií měřidel kvantového pole jsou interakce v elektroslabé teorii také zprostředkovány měřicími bosony . V elektroslabé teorii se matematicky objevují čtyři bezhmotné bosony:

• boson B ⁰ (slabý isospinový singlet s vazebnou silou g 'na slabý hypervýboj ),${\ displaystyle T = T_ {z} = 0}$${\ displaystyle Y_ {w}}$
• tři W bosony W ⁰ , W ¹ , W ² (slabý triplet isospin a se spojovací silou g an ).${\ displaystyle T = 1}$${\ displaystyle T_ {z} = 0, \ pm 1}$${\ displaystyle T_ {z}}$

Po spontánním přerušení symetrie vychází hmotová matice pro čtyři bosony, která není diagonální. Diagonalizace k masovým eigenstates v konečném důsledku vede ke třem masivní měřidla bosony a jeden massless jednom:

• foton , nehmotný, elektricky nabité${\ displaystyle \ gamma}$
• boson Z ⁰ , hmotnost 91,1879 (21) GeV, není elektricky nabitý
• dva W bosony W ^± , hmotnost 80,385 (15) GeV, elektrický náboj ± 1.

Tyto lineární kombinace s, které jsou popsány tyto bosony jsou:

${\ displaystyle \ vert \ gamma \ rangle = \ cos \ theta _ {\ mathrm {W}} \ vert B ^ {0} \ rangle + \ sin \ theta _ {\ mathrm {W}} \ vert W ^ {0 } \ rangle}$

${\ displaystyle \ vert Z ^ {0} \ rangle = - \ sin \ theta _ {\ mathrm {W}} \ vert B ^ {0} \ rangle + \ cos \ theta _ {\ mathrm {W}} \ vert W ^ {0} \ rangle}$

${\ displaystyle \ vert W ^ {\ pm} \ rangle = {\ frac {1} {\ sqrt {2}}} \ left (\ vert W ^ {1} \ rangle \ mp i \ vert W ^ {2} \ rangle \ right)}$

Na rozdíl od bosonů W ^± boson Z ⁰ neporušuje paritu v maximální možné míře , protože obsahuje část vypočítaného bosonu B ⁰ . Říká se, že stavy fotonu a bosonu Z ⁰ se otáčejí kolem Weinbergova úhlu . ${\ displaystyle \ theta _ {\ mathrm {W}}}$

Foton se chová tak, jak je popsáno v kontextu QED .

Z a W bosony

Nenabíjený kalibrační boson Z ⁰ působí na všechny levoruké části uvedené v tabulce výše a v důsledku Weinbergovy směsi do jisté míry také na pravostranné části . Protože boson Z nemá elektrický náboj, jsou tyto procesy označovány také jako neutrální proudy (anglické neutrální proudy , NC), viz obrázek 1. Parita je někdy v obou procesech narušena .

• 

  Obrázek 1: Nulové proudy

• 

  Obrázek 2: Nabité proudy

Na rozdíl od bosonu Z nesou bosony W ^± elektrický náboj. Sdružené Teilchenprozesse proto také označuje jako „nabitý proud“ (anglické nabité proudy , CC), viz obrázek 2. Protože tyto dva nabité proudy se spojují pouze s levotočivými dublety, dochází ve dvou operacích, což je maximální porušení parity.

Směs CKM v kvarkech

V případě kvarků je třeba v souvislosti s těmito dvěma W bosony také sledovat směs CKM (pojmenovanou podle Nicoly Cabibbo , Makoto Kobayashi a Toshihide Maskawa ). Například u-kvark lze převést pomocí W ^- nejen na d-kvark. Existuje také menší pravděpodobnost získání s-kvarku nebo b-kvarku. W bosony mohou také změnit chuť . Toto chování je způsobeno skutečností, že hromadné vlastní stavy neodpovídají interakčním vlastním stavům.

Pojmenování

Tyto W bosony jsou pojmenovány po slabé síly ( w Eak síly) (alternativní název byl a je meziproduktem vektor boson), Z boson po elektrické neutrality ( z ero náboje).
Zkratky W a Z lze nalézt v původním díle Weinberga z roku 1967, Salam použitém ve svém původním díle publikovaném v roce 1968 pro nabité vektorové bosony a X pro boson Z (směs složek a ), Glashow použit ve svém práce z roku 1961 pro všechny čtyři výměnné částice mají zkratku Z. ${\ displaystyle W _ {\ pm}}$${\ displaystyle W_ {0}}$${\ displaystyle W_ {3}}$

Termín weakons se nenachází pouze v populárních vědeckých médiích, i když ne příliš často, většinou pro dva W bosony a Z boson, vzácněji pouze pro W bosony. Kromě odlišného použití je tento termín problematický, protože neoznačuje úplnou samostatnou skupinu - chybí foton. Termín se neobjevuje v oficiálních publikacích, jako je CERN nebo Particle Data Group (od roku 2009).

Interakce a hmotnost

V kvantové teorii pole lze měřicí bosony s hmotou popsat pouze pomocí skalárního pole , které dává hmotnost zúčastněným měřicím bosonům. V elektroslabé teorii je toto pole Higgsovo pole (pojmenované po Peteru Higgsovi ). Předpokládá se, že skalární Higgsovo pole mělo v raném vesmíru jen minimum.

Kontinuální chlazení mělo za následek spontánní přerušení symetrie a Higgsovo pole kleslo na nové minimum. Měřicí bosony elektroslabé interakce přijímají konečné hmotnosti díky vazbě na Higgsovo pole. 4. července 2012 CERN oznámil objev bosonu s hmotností kolem 125 GeV / c², což je velmi pravděpodobně Higgsova částice.

Rozšíření

Jeden se pokouší kombinovat elektroslabou interakci s jinými interakcemi. Je zřejmé, že je dobré přidat silnou interakci ( QCD ) k DOBRÉMU . Rozšíření kalibračních skupin z. B. Pravák byl navržen. V závislosti na přesném modelu tato rozšíření předpovídají bosony podobné Z a / nebo W, podle nichž mimo jiné u Velkého hadronového urychlovače . Dosud takové Z 'nebo W' bosony nebyly pozorovány.${\ displaystyle SU (2) _ {R}}$

Nobelovy ceny

Kvantování elektromagnetického záření je v konečném důsledku k vysvětlení záření absolutně černého tělesa od Max Planck v 1900 zádech ( Planckův zákon ). Albert Einstein obdržel v roce 1921 Nobelovu cenu za fyziku za interpretaci fotoelektrického jevu v podobě světelné kvantové hypotézy v roce 1905 . Tato světelná kvanta byla později nalezena jako fotony v kvantové fyzice. Foton je nejznámější výměnný boson elektroslabé interakce.

V roce 1957, ve Wu experimentu pojmenované po ní (provádí v National Bureau of Standards ) , Chien-Shiung Wu uspěl v prokázání porušení parity ve slabých interakcí , a tím poskytuje empirický důkaz pro hypotézu o Tsung-Dao Lee a Chen Ning Yang . V roce 1956 publikovali teorii, že ve fyzice elementárních částic může být změna pravé a levé změny, tj. H. V případě prostorového zrcadlení nemusí být originál a zrcadlový obraz vždy k nerozeznání (narušení parity).

Když Lee a Yang v témže roce obdrželi Nobelovu cenu za fyziku , mnoho odborníků věřilo, že Chien-Shiung Wu neprávem přišel. Důvod byl viděn v tradičním ignorování experimentální a teoretické fyziky.

Sjednocení elektromagnetického pole se slabou interakcí poprvé teoreticky popsali Sheldon Glashow , Abdus Salam a Steven Weinberg v roce 1967 ( teorie GWS ), experimentálně byla teorie založena nepřímo v roce 1973 objevením neutrálních proudů a v roce 1983 přímo prostřednictvím detekce W ^± a Z ⁰ - kalibrační bosony (výměnné bosony) potvrzeny. Zvláštností je narušení parity v důsledku elektroslabé interakce . Za svou teorii obdrželi výše uvedení Nobelovu cenu za fyziku z roku 1979 .

Jako mluvčí mezinárodního výzkumného týmu na detektoru UA1 a urychlovače částic SPS v CERN , Carlo Rubbia a jako hlavního vývojáře stochastické chlazení, Simon van der Meer obdržel Nobelovu cenu za fyziku v roce 1984 , „za jejich významný přínos k velký projekt, který vedl k objevu polních částic W a Z , mediátorů slabé interakce , “.

V roce 2013 obdrželi François Englert a Peter Higgs Nobelovu cenu za fyziku za významnou účast na vývoji teoretického popisu hromadné generace v teoriích měřidel . Teorie byla potvrzena objevem souvisejícího kvantového pole, Higgsova bosonu , na Large Hadron Collider .

klasifikace

Základní interakce a jejich popisy (teorie v rané fázi vývoje jsou šedě zastíněny).
	Silná interakce	Elektromagnetická interakce	Slabá interakce	Gravitace
klasický		Elektrostatika a magnetostatika , elektrodynamika		Newtonův gravitační zákon , obecná relativita
kvantová teorie	Kvantová chromodynamika ( standardní model )	Kvantová elektrodynamika	Teorie Fermi	Kvantová gravitace  ?
		Elektroslabá interakce ( standardní model )
	Velká sjednocená teorie  ?
	Světový vzorec („teorie všeho“)?

Viz také

• Slabý náboj
• Teorie VA

Individuální důkazy

1. ^ Sheldon Glashow, Částečná symetrie slabých interakcí , Nuclear Physics B, svazek 22, 1961, s. 579
2. ^ Steven Weinberg, Model leptonů , Phys. Rev. Lett., Sv. 19, 1967, str. 1264-1266
3. ↑ Salam dává jako poslední krok k elektroslabé teorii (současně s Weinbergem) svůj příspěvek Slabá a elektromagnetická interakce pro N. Svartholm (ed.), Elementary Particle Theory, Proc. 8. Nobelovo sympozium, Almqvist a Wiksell, Stockholm 1968. Viz Salam, Sjednocení měřidel základních sil, Recenze moderní fyziky, Svazek 52, 1980, s. 529
4. ^ Walter Greiner , Berndt Müller : Kalibrační teorie slabé interakce . 2. vydání, Harri Deutsch, 1995, s. 184, ISBN 3-8171-1427-3
5. ↑ ^{a b c} K.A. Olive a kol. (PDG): 'Review of Particle Physics'. Chin.Phys. C, 38, 2014.
6. ↑ Chris Quigg , Elementární částice a síly , Scientific American, duben 1985, s. 91
7. ↑ Wolfgang Bauer, Gary Westfall, Walter Benenson: Fundamentalkrätze , in: Universität Frankfurt, cliXX Physik, kapitola 28: Jaderná fyzika a základní částice; harri německá elektronická věda (hades)
8. ↑ Christoph Heimann: Představení elementárních částic a jejich základních interakcí v rámci výuky jaderné fyziky v 10. ročníku gymnázia , písemná seminární práce podle §58 OVP pro učitelský post pro sekundární stupeň I + II v předmětu fyzika, Kolín nad Rýnem v srpnu 2002, s. 9; stejně jako elementární částice - stavební kameny přírody - částicová fyzika. Dodatky , s. XII; na: teilchenphysik.de Německý elektronový synchrotron DESY, 2016
9. ^ Paul Hemetsberger: Weakonen , dict.cc německo-anglický slovník, 2002-2018
10. ↑ Andreas Müller: Weakonen , Encyclopedia of Astronomy, 2007-2014; Astro-Lexikon , s. 6; na: Spektrum.de
11. ↑ Erich Übelacker, Arno Kolb: Moderní fyzika . CO JE CO, kapela 79 . Tessloff Verlag, 2018, ISBN 978-3-7886-0419-6 , str. 48 .  Tady: Strana 33 v Google Book Search, Strana 48 .
12. ↑ Frank Wilczek : Krásná otázka: Hledání hlubokého designu přírody . Penguin, 2015, ISBN 978-0-698-19562-2 , str. 400 ( omezený náhled v Google Book Search). 
13. ↑ Exkurz: Kvarků a Higgsových bosonů - standardní model v kostce , na: scinexx.de dokumentace ze dne 13. dubna 2007
14. ↑ Experimenty CERN pozorují částice v souladu s dlouho hledaným Higgsovým bosonem . Tisková zpráva z CERNu. 4. července 2012. Citováno 6. července 2012.
15. ^ G. Senjanovic a RN Mohapatra, Phys. Rev. D 12, 1502
16. ^ Nobelova cena za fyziku 2013 . Nobelova nadace. Citováno 23. srpna 2016.