Interacción electrodébil

Desintegración beta en la interacción electrodébil

La interacción electrodébil forma la base de una teoría unificada de la electrodinámica cuántica y la interacción débil dentro del marco del Modelo Estándar . Fue introducido en la década de 1960 por los físicos Sheldon Glashow , Steven Weinberg y Abdus Salam para resumir la interacción electromagnética y débil en una teoría. Por ello recibieron el Premio Nobel de Física en 1979 , luego de que la teoría hubiera sido confirmada experimentalmente en la década de 1970.

Mientras que en la electrodinámica cuántica la interacción se describe mediante el intercambio de un fotón sin masa y es la versión teórica del campo cuántico de la electrodinámica clásica , la teoría unificada explica el corto rango de la interacción débil, que es p. B. Neutrino- Física y la desintegración beta actúa, por lo que aquí se intercambian partículas mucho más pesadas: el bosón W cargado y el bosón Z neutro con masas del orden de Giga - electronvoltios  (GeV). ${\ Displaystyle 10 ^ {2}}$

La teoría electrodébil es también un ejemplo de una teoría de campo de calibre con un grupo de calibre que corresponde al producto . Aquí representa el grupo unitario especial bidimensional y el grupo unitario unidimensional . El carácter de matriz bidimensional es una expresión del hecho de que la proporción de la interacción débil en la interacción electrodébil convierte varias partículas elementales entre sí. Por el contrario, solo hay un factor de fase (multiplicación por un número complejo ) delante de la función de onda . ${\ Displaystyle SU (2) \ times U (1)}$${\ Displaystyle SU (2)}$${\ Displaystyle U (1)}$${\ Displaystyle U (1)}$

La forma más sencilla de ilustrar el efecto de la interacción electrodébil es mediante los diagramas de Feynman . Por ejemplo, cuando el neutrón beta se desintegra, un protón , un electrón y un contra neutrinos se crean. Esto se puede describir mediante el intercambio de un bosón W cargado negativamente, que convierte un quark d en un quark u en el nucleón y un antineutrino en un electrón en los leptones (ver figura a la derecha).

Física de la interacción débil y electrodébil

Para la descripción física es necesario combinar los leptones o quarks de una generación (o familia) en un doblete para partículas quirales izquierdas y singletes para partículas quirales derechas . La interacción electrodébil actúa sobre los siguientes dobletes de partículas y singletes de fermiones :

Dobletes ( isospin débil T = ½)

Leptones			Eléctrica de carga Q	Hipercarga débil Y w	3. Componente del isospín débil T z
${\ Displaystyle {\ nu _ {e} \ elige e} _ {L}}$	${\ displaystyle {\ nu _ {\ mu} \ elige \ mu} _ {L}}$	${\ Displaystyle {\ nu _ {\ tau} \ elige \ tau} _ {L}}$	${\ Displaystyle {0} \ Choose {-1}}$	${\ Displaystyle {-1} \ Choose {-1}}$	${\ Displaystyle {+1/2} \ choose {-1/2}}$
Quarks
${\ Displaystyle {u \ elige d '} _ {L}}$	${\ Displaystyle {c \ elige s '} _ {L}}$	${\ Displaystyle {t \ elige b '} _ {L}}$	${\ Displaystyle {2/3} \ choose {-1/3}}$	${\ Displaystyle {1/3} \ choose {1/3}}$	${\ Displaystyle {+1/2} \ choose {-1/2}}$

Los fermiones ascendentes se enumeran arriba. Su carga eléctrica es 1 mayor que la de las correspondientes partículas similares a plumón que se enumeran a continuación.

Singlets (isospin débil T = 0)

1	2	3	Eléctrica de carga Q	hipercarga débil Y w
${\ Displaystyle e_ {R} ^ {-}}$	${\ Displaystyle \ mu _ {R} ^ {-}}$	${\ Displaystyle \ tau _ {R} ^ {-}}$	${\ displaystyle -1}$	${\ displaystyle -2}$
${\ Displaystyle u_ {R}}$	${\ Displaystyle c_ {R}}$	${\ Displaystyle t_ {R}}$	${\ Displaystyle + {\ frac {2} {3}}}$	${\ displaystyle + {\ frac {4} {3}}}$
${\ Displaystyle d_ {R}}$	${\ Displaystyle s_ {R}}$	${\ Displaystyle b_ {R}}$	${\ Displaystyle - {\ frac {1} {3}}}$	${\ Displaystyle - {\ frac {2} {3}}}$

La carga eléctrica se  entiende en unidades de la carga elemental e. La línea en los quarks d, syb indica que estos son los estados de interacción débil y no los estados propios de masas observables . Esta diferencia conduce a la mezcla CKM de quarks.

La interacción electrodébil también actúa sobre las antipartículas asociadas y los sistemas compuestos por estas partículas.

Además de la carga eléctrica  Q , las partículas enumerados anteriormente llevan una carga baja Hyper  Y _W . La carga eléctrica está relacionada con este y el tercer componente del isospin débil de la siguiente manera:

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

Bosones de calibración

Como ocurre con todas las teorías de gauge teóricas de campos cuánticos , las interacciones en la teoría electrodébil también están mediadas por bosones de gauge . En la teoría electrodébil, cuatro bosones gauge sin masa aparecen matemáticamente:

• un bosón B ⁰ (singlete isospin débil con fuerza de acoplamiento g 'a la hipercarga débil ),${\ Displaystyle T = T_ {z} = 0}$${\ Displaystyle Y_ {w}}$
• tres bosones W W ⁰ , W ¹ , W ² (triplete isospin débil y con fuerza de acoplamiento g an ).${\ Displaystyle T = 1}$${\ Displaystyle T_ {z} = 0, \ pm 1}$${\ Displaystyle T_ {z}}$

Después de una ruptura de simetría espontánea , se obtiene una matriz de masa para los cuatro bosones que no es diagonal. Una diagonalización a los estados propios de masa finalmente conduce a tres bosones gauge masivos y uno sin masa:

• el fotón , sin masa, sin carga eléctrica${\ Displaystyle \ gamma}$
• el bosón Z ⁰ , masa 91.1879 (21) GeV, sin carga eléctrica
• dos bosones W W ^± , masa 80,385 (15) GeV, carga eléctrica ± 1.

Las combinaciones lineales con las que se describen estos bosones son:

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

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

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

A diferencia de los bosones W ^± , el bosón Z ⁰ no viola la paridad tanto como sea posible, ya que contiene una parte del bosón B ⁰ calculado . Se dice que los estados del fotón y del bosón Z ⁰ giran alrededor del ángulo de Weinberg . ${\ Displaystyle \ theta _ {\ mathrm {W}}}$

El fotón se comporta como se describe en el contexto de la QED .

Bosones Z y W

El bosón de calibración sin carga Z ⁰ actúa sobre todas las partes zurdas enumeradas en la tabla anterior y, debido a la mezcla de Weinberg, en cierta medida también sobre las partes diestras . Dado que el bosón Z no tiene carga eléctrica, estos procesos también se conocen como corrientes neutras ( corrientes neutras inglesas , NC), consulte la Figura 1. La paridad a veces se viola en ambos procesos .

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  Figura 1: corrientes neutras

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  Figura 2: corrientes cargadas

A diferencia del bosón Z, los bosones W ^± llevan una carga eléctrica. Por lo tanto, el Teilchenprozesse asociado se refiere también como "corriente cargada" ( corrientes cargadas en inglés , CC), ver Figura 2. Dado que estas dos corrientes cargadas se acoplan sólo a los dobletes zurdos, ocurre en dos operaciones, una violación máxima de la paridad.

Mezcla CKM en quarks

En el caso de los quarks, la mezcla CKM (llamada así por Nicola Cabibbo , Makoto Kobayashi y Toshihide Maskawa ) también debe observarse en relación con los dos bosones W. Por ejemplo, un quark u se puede convertir mediante una W ^, no solo en un quark d. También hay menos probabilidad de obtener un s-quark o b-quark. Los bosones W también pueden cambiar el sabor . Este comportamiento se debe al hecho de que los autoestados de la masa no coinciden con los autoestados de interacción.

Nombrar

Los bosones W se nombran después de la fuerza débil ( w fuerza EAK) (un nombre alternativo fue y es un Higgs vector intermedio), el Higgs Z después de su neutralidad eléctrica ( z cargo ero).
Las abreviaturas W y Z se pueden encontrar en el trabajo original de Weinberg de 1967, que Salam utilizó en su trabajo original publicado en 1968 para los bosones vectoriales cargados y X para el bosón Z (una mezcla de los componentes y ), que Glashow utilizó en su trabajo. El trabajo de 1961 para las cuatro partículas de intercambio tiene la abreviatura Z. ${\ Displaystyle W _ {\ pm}}$${\ Displaystyle W_ {0}}$${\ Displaystyle W_ {3}}$

El término débiles no solo se encuentra en los medios científicos populares, aunque no muy a menudo, principalmente para los dos bosones W y el bosón Z, más raramente solo para los bosones W. Aparte del uso diferente, el término es problemático porque no denota un grupo completo e independiente: falta el fotón. El término no aparece en publicaciones oficiales como CERN o Particle Data Group (a partir de 2009).

Interacción y masa

En la teoría cuántica de campos, los bosones gauge con masa solo se pueden describir con la ayuda de un campo escalar , que da masa a los bosones gauge involucrados. En la teoría electrodébil, este campo es el campo de Higgs (llamado así por Peter Higgs ). Se supone que el campo escalar de Higgs tenía solo un mínimo en el universo temprano .

El enfriamiento continuo resultó en una ruptura espontánea de la simetría y el campo de Higgs cayó a un nuevo mínimo. Los bosones gauge de la interacción electrodébil reciben masas finitas debido al acoplamiento al campo de Higgs. El 4 de julio de 2012, el CERN anunció el descubrimiento de un bosón con una masa de alrededor de 125 GeV / c², que muy probablemente sea la partícula de Higgs.

Extensiones

Se intenta combinar la interacción electrodébil con otras interacciones. Lo obvio es agregar la interacción fuerte ( QCD ) a un BUEN . Ampliaciones de los grupos de calibración z. B. Se han sugerido diestros . Dependiendo del modelo exacto, estas extensiones predicen bosones similares a Z y / o W, según los cuales, entre otras cosas, en el Gran Colisionador de Hadrones . Hasta ahora, estos bosones Z 'o W' no se han observado.${\ Displaystyle SU (2) _ {R}}$

Premios Nobel

La cuantificación de la radiación electromagnética es, en última instancia, la explicación de la radiación de cuerpo negro por Max Planck en 1900 ( ley de Planck ). Albert Einstein recibió el Premio Nobel de Física en 1921 por la interpretación del efecto fotoeléctrico en forma de hipótesis cuántica de luz en 1905 . Estos cuantos de luz se encontraron más tarde como fotones en la física cuántica. El fotón es el bosón de intercambio más conocido de la interacción electrodébil.

En 1957, en el experimento de Wu que lleva su nombre (llevado a cabo en la Oficina Nacional de Normas ) , Chien-Shiung Wu logró demostrar violaciones de paridad en interacciones débiles y, por lo tanto, proporcionó evidencia empírica para la hipótesis de Tsung-Dao Lee y Chen Ning Yang. . En 1956 publicaron la teoría de que en la física de partículas elementales un intercambio de derecha e izquierda puede marcar la diferencia, i. H. En el caso de un reflejo espacial, el original y la imagen reflejada no siempre tienen que ser indistinguibles (violación de paridad).

Cuando Lee y Yang recibieron el Premio Nobel de Física ese mismo año , muchos expertos creyeron que Chien-Shiung Wu se había perdido por error. La razón se vio en el tradicional desprecio por la física experimental frente a la teórica.

La unificación de lo electromagnético con la interacción débil fue descrita teóricamente por primera vez por Sheldon Glashow , Abdus Salam y Steven Weinberg en 1967 ( teoría GWS ), experimentalmente la teoría se estableció indirectamente en 1973 a través del descubrimiento de las corrientes neutrales y en 1983 directamente a través de la detección de la W ^± y Z ⁰ - bosones de calibración (bosones de cambio) confirmó. Una característica especial es la violación de la paridad debido a la interacción electrodébil . Por su teoría, los antes mencionados recibieron el Premio Nobel de Física de 1979 .

Como portavoz del equipo de investigación internacional en el detector UA1 y el acelerador de partículas SPS en el CERN , Carlo Rubbia y, como desarrollador jefe de enfriamiento estocástico, Simon van der Meer recibieron el Premio Nobel de Física en 1984 , “por sus importantes contribuciones a la proyecto de gran envergadura que condujo al descubrimiento de las partículas de campo W y Z , mediadores de interacción débil ”.

En 2013, François Englert y Peter Higgs recibieron el Premio Nobel de Física por su importante participación en el desarrollo de una descripción teórica de la generación de masas en las teorías de gauge . La teoría fue confirmada por el descubrimiento del cuanto de campo asociado, el bosón de Higgs , en el Gran Colisionador de Hadrones .

clasificación

Ver también

• Carga débil
• Teoría VA

Evidencia individual

1. ↑ Sheldon Glashow, Simetrías parciales de interacciones débiles , Física nuclear B, Volumen 22, 1961, p. 579
2. ↑ Steven Weinberg, Un modelo de leptones , Phys. Rev. Lett., Vol. 19, 1967, págs. 1264-1266
3. ↑ Salam da como último paso hacia la teoría electrodébil (al mismo tiempo que Weinberg) su contribución Weak and Electromagnetic Interaction a N. Svartholm (ed.), Elementary Particle Theory, Proc. Octavo Simposio Nobel, Almqvist y Wiksell, Estocolmo 1968. Ver Salam, Unificación de calibres de fuerzas fundamentales, Reviews of Modern Physics, Volumen 52, 1980, p. 529.
4. ↑ Walter Greiner , Berndt Müller : Teoría de la calibración de la interacción débil . 2da edición, Harri Deutsch, 1995, p. 184, ISBN 3-8171-1427-3
5. ↑ ^{a b c} K.A. Olive y col. (PDG): 'Revisión de la física de partículas'. Chin.Phys. C, 38, 2014.
6. ↑ Chris Quigg , Partículas y fuerzas elementales , Scientific American, abril de 1985, p. 91
7. ↑ Wolfgang Bauer, Gary Westfall, Walter Benenson: Fundamentalkrätze , en: Universität Frankfurt, cliXX Physik, Capítulo 28: Física nuclear y partículas elementales; harri ciencia electrónica alemana (hades)
8. ↑ Christoph Heimann: Introducción de partículas elementales y sus interacciones fundamentales en el marco de las lecciones de física nuclear en el décimo grado de una escuela primaria , trabajo de término escrito según §58 OVP para el puesto docente para el nivel secundario I + II en la asignatura física, Colonia en agosto de 2002, p. 9; así como las partículas elementales, los componentes básicos de la naturaleza, la física de partículas. Apéndices , p. XII; en: teilchenphysik.de Sincrotrón de electrones alemán DESY, 2016
9. ↑ Paul Hemetsberger: Weakonen , dict.cc Diccionario alemán-inglés, 2002-2018
10. ↑ Andreas Müller: Weakonen , Enciclopedia de Astronomía, 2007-2014; Astro-Lexikon , pág. 6; en: Spektrum.de
11. ↑ Erich Übelacker, Arno Kolb: Física moderna . QUE ES QUE, banda 79 . Tessloff Verlag, 2018, ISBN 978-3-7886-0419-6 , págs. 48 .  Aquí: página 33 en la Búsqueda de libros de Google, página 48 .
12. ↑ Frank Wilczek : Una hermosa pregunta: Encontrar el diseño profundo de la naturaleza . Penguin, 2015, ISBN 978-0-698-19562-2 , págs. 400 ( vista previa limitada en la Búsqueda de libros de Google). 
13. ↑ Excursus: Of quarks and Higgs bosons - The standard model in the 'nutshell' , on: scinexx.de dossier del 13 de abril de 2007
14. ↑ Los experimentos del CERN observan partículas consistentes con el bosón de Higgs tan buscado . Comunicado de prensa del CERN. 4 de julio de 2012. Consultado el 6 de julio de 2012.
15. ↑ G. Senjanovic y RN Mohapatra, Phys. Rev. D 12, 1502
16. ^ Premio Nobel de Física 2013 . La Fundación Nobel. Consultado el 23 de agosto de 2016.