ЭЛЕКТРОСЛАБОЕ ВЗАИМОДЕЙСТВИЕ


ЭЛЕКТРОСЛАБОЕ ВЗАИМОДЕЙСТВИЕ
ЭЛЕКТРОСЛАБОЕ ВЗАИМОДЕЙСТВИЕ

       
объединённая калибровочная теория эл.-магн. и слабого вз-ствий. (см. СЛАБОЕ ВЗАИМОДЕЙСТВИЕ).

Физический энциклопедический словарь. — М.: Советская энциклопедия. . 1983.

ЭЛЕКТРОСЛАБОЕ ВЗАИМОДЕЙСТВИЕ

- взаимодействие, в к-ром участвуют кварки и лептоны, излучая и поглощая фотоны или тяжёлые промежуточные векторные бозоны W+, W-, Z0. Э. в. описывается калибровочной теорией со спонтанно нарушенной симметрией.

Теория Э. в. использует заряж. промежуточные бозоны, введённые впервые Ю. Швингером ( J. Schwinger) в 1957. Дальнейшее развитие теории опирается на калибровочные теории (см. Калибровочная инвариантность), впервые применённые к Э. в. в работах Ш. Глэшоу (Sh. Glashow, 1961) и А. Салама и Дж. Уорда (A. Salam, J. С. Ward, 1964). Однако на первом этапе не удавалось решить проблему масс тяжёлых бозонов в рамках калибровочно-инвариант-ной теории.

Окончат. формулировка была достигнута С. Вайнбер-гом (S. Weinberg) и А. Саламом (A. Salam) в 1967 с использованием Хиггса механизма.

Теория Э. в. даёт объединённое описание эл.-магн. и слабого взаимодействий. Электромагнитное взаимодействие описывается квантовой электродинамикой. О слабом взаимодействии, к-рое приводит к распадам элементарных частиц, было известно, что совокупность данных описывается взаимодействием вида "ток на ток" в V-A -варианте

5121-8.jpg

где Lint -лагранжиан взаимодействия; ja -слабый ток; ga - Дирака матрицы; е,m, v - операторы соответствующих полей, черта означает дираковское сопряжение; GF= (1,16639 + 0,00002)·10-5 ГэВ -2 - константа взаимодействия Ферми, имеющая в системе единиц 5121-9.jpg=1, с=1 размерность обратной массы в квадрате; Vahadr, Aahadr - соответственно векторный и аксиальный заряженные адронные токи (см. Аксиальный ток, Векторный ток, Заряженный ток). Данные по распадам, напр. m-5121-10.jpg е - +5121-11.jpg+ vm, и по нейтринным реакциям, напр. vm + N5121-12.jpgm- + адроны, вполне описываются взаимодействием (1). Однако с точки зрения квантовой теории поля это взаимодействие принадлежит к классу неренормируемых (см. Перенормируемость), что приводит к возникновению неустранимых расходимостей в процессе вычисления высших поправок по возмущений теории. Неренормируемость теории проявляется также в росте сечений s с слабых процессов при высоких энергиях в низшем порядке теории возмущений: s с5121-13.jpgGF2s, где s - квадрат энергии в системе центра инерции. Введение заряж. векторного промежуточного массивного бозона W с взаимодействием

5121-14.jpg

(где gW - константа взаимодействия; h.c.- означает эрмитово сопряжённое выражение; MW - достаточно большая масса бозона) устраняет рост сечений ряда слабых процессов, напр. рассеяния нейтрино на электроне. Однако взаимодействие (2) также неренормируемо, что отражается, в частности, в росте сечения процесса е +-5121-15.jpgW+ + W-. Оказывается, сократить растущие члены в амплитуде этого и аналогичных ему процессов можно, если ввести наряду с W ещё нейтральный промежуточный бозон Z, также массивный, и учесть фотонное поле Аm.

Теория Э. в. строится как калибровочная квантовая теория поля с группой симметрии SU(2)5121-16.jpg U(1). Это значит, что в исходной теории имеется 4 безмассовых векторных поля: Wm-, Wm-, Wm0- Янга - Миллса поле, соответствующее симметрии SU(2), и Вm - поле, связанное с симметрией U(1). Исходная симметрия должна быть нарушена (см. Спонтанное нарушение симметрии), в частности должны получить массы Wb, Z. Два нейтральных поля W0m. и Вm соответствуют линейным комбинациям наблюдаемых (физ.) полей Zm, Am

5121-17.jpg

qW обычно наз. Вайнберга углом. Мин. число скалярных полей, приводящих к возникновению масс трёх промежуточных бозонов, равно четырём. В качестве таковых выбирается комплексный дублет, т. <е. вектор спинорного представления группы SU(2): j = (j1, f2); f+=f+1, f+2 (" + "- означает эрмитово сопряжение). Исходный лагранжиан калибровочных и скалярных полей, инвариантный относительно калибровочных преобразований с группой SU(2)5121-18.jpg U(1), имеет вид:

5121-19.jpg

где l-константа взаимодействия поля Хиггса; тензор напряжённости поля Fmv соответствует группе U(1)и связан с вектор-потенциалом Вm. так же, как в случае эл.-магн. поля: Fmv = дm Вv - д vBm, a Wimv, - стандартным образом определённая напряжённость поля Янга - Миллса. Символ Dm (ковариантная производная) определён следующим образом:

5121-20.jpg

где g, g' - константы взаимодействия поля Хиггса с полями W и В; т a - Паули матрицы.

Явление (механизм) Хиггса осуществляется при отри-цат. квадратах масс скалярных частиц, т. е. при m2=-m20<0. Предполагается, что отличное от нуля вакуумное среднее приобретает скалярное поле f2: <|j2|> = h/5121-21.jpg· Скалярные поля переопределяются следующим образом:

5121-22.jpg

Здесь физ. полями являются yi, s, c. Подстановка в (3) приводит к появлению члена первой степени по полю s: s·(hm20 - lh3). Требование равенства нулю вакуумного ср. поля s даёт условие

5121-23.jpg

решения к-рого h = 0 (тривиальное) и h2l = m20 (нарушающее симметрию). В теории Э. в. реализуется второе решение. Коэффициенты при квадратах полей yi, c равны (m20, - lh2)/2, т. е. массы их равны нулю, a ms=5121-24.jpgm0. Появление полей с массой нуль является следствием теоремы H. H. Боголюбова [в применении к задачам теории частиц теорему сформулировал Дж. Голдстоун (J. Goldstone), см. Голдстоуна теорема]. Безмассовые скалярные частицы уходят из физ. спектра в результате явления Хиггса. При этом необходимо провести следующее калибровочное преобразование вектор-потенциалов заряж. бозонов:

5121-25.jpg

Бозоны W приобретают массу MW=gh/2. Нейтральные поля W0. и Z образуют комбинацию

5121-26.jpg

причём нейтральный бозон приобретает массу MZ =h5121-27.jpg/2. Угол Вайнберга связан с константами связи следующим образом:

5121-28.jpg

Фотонная комбинация (2) массу не приобретает. T. о., три безмассовых скаляра в результате осуществления механизма Хиггса включаются в массивные векторные поля, давая недостающие степени свободы. Из равенства заряда W элементарному заряду е получаем связь e2=g2sin2qW. Для описания взаимодействия векторных и скалярных полей с элементарными спинорами - лептонами и кварками- вводятся лептонные мультиплеты - левые и правые

5121-29.jpg

где k=1, 2, 3; Nk = (ve, vm, v т); Ek = (e,m, т), и аналогичные кварковые мультиплеты

5121-30.jpg

где штрих у кварков типа D означает комбинации кварков d, s, b, к-рые определены ниже.

Часть лагранжиана Э. в., содержащая спиноры, имеет вид:

5121-31.jpg

Известные электрич. заряды лептонов и кварков фиксируют вид удлинённых производных (независимо от k):

5121-32.jpg

Взаимодействие спиноров со скалярными хиггсовыми полями описывается выражением

5121-33.jpg

где gks - соответствующие константы взаимодействия. Выделение вакуумного среднего h приводит к появлению массы лептонов и кварков, причём массы определяются соответствующими юкавскими константами связи, напр. me =hg1s/5121-34.jpg, mc =hGs2(U}/5121-35.jpg. По крайней мере, на нынешнем этапе понимания теории Э. в. каждой массе соответствует своя константа, так что они задаются в соответствии с экспериментом.

Из выражений (4), (5) следует окончат. вид Э. в. лептонов и кварков с векторными полями:

5121-36.jpg

где заряж. ток

5121-37.jpg

эл.-магн. ток

5121-38.jpg

и нейтральный ток

5121-39.jpg

Сравнивая заряж. ток с выражением (2), получаем, что калибровочная константа связи g=gW25121-40.jpg, откуда

5121-41.jpg

T. о., главные отличия Э. в. от четырёхфермионного взаимодействия (1) заключаются, во-первых, в существовании тяжёлых промежуточных бозонов W,Z и, во-вторых, в присутствии взаимодействия с нейтральным током. Существенно, что нейтральный ток является диагональным по квантовым числам странности, чарма и т. д. Комбинации d', s', b' определяются матрицей Кабиббо - Кобая-ши - Маскава, зависящей от трёх углов (Эйлера) fj и одной фазы d:

5121-42.jpg

где cj=cos fj, sj=sin jj. Эксперим. данные по слабым распадам частиц дают следующие соотношения:

5121-43.jpg

Отличие фазы f от нуля или p означает нарушение инвариантности относительно обращения времени T- и СР -инва-риантности.

Преобразование (6) обеспечивает инвариантность квадратичной формы 5121-44.jpgDk, т. е. 5121-45.jpg , что и приводит к диагональности нейтрального тока, к-рая с высокой точностью подтверждается отсутствием распадов вида K+5121-46.jpgp +5121-47.jpgv.

В теории Э. в. совпадение числа лептонов и кварков выглядит совсем не случайным. Только тогда сокращаются аксиальные аномалии, к-рые в противном случае приводят к перенормируемости теории.

Первым подтверждением теории Э. в. послужило открытие нейтральных токов (1973). Дальнейшее уточнение данных по нейтральным токам привело к значению угла qW:sin2 qW= 0,223 + 0,002. Триумфом теории явилось открытие W- и Z-бозонов на протон-антипротонном коллайдере ЦЕРН (1983). Накоплено большое кол-во данных, к-рые в совокупности дают превосходное согласие эксперимента с теорией. Интересно, что все данные согласуются с низшим порядком теории возмущений с параметрами

5121-48.jpg

где все значения соответствуют энергиям вблизи массы Z, а значение постоянной тонкой структуры согласуется с предсказанной зависимостью "бегущей константы связи" от импульса (см. Ренормализационная группа). Кажется удивительным, что при достаточно высокой эксперим. точности не проявляются радиационные поправки, к-рые могут достигать значит. величины при большом значении массы t -кварка. Оказывается, что при значении массы t -кварка ок. 150 ГэВ происходит сокращение разл. вкладов, что и может объяснить наблюдаемое согласие с низшим порядком. T. о., совокупность данных по Э. в. предсказывает массу f-кварка в интервале 110-195 ГэВ. Открытие t -кварка (март 1995) блестяще подтвердило это предсказание: измерение массы t -кварка двумя группами в ФНАЛ (США) дало значения 176+13 ГэВ и 199 + 30 ГэВ.

Совокупность эксперим. данных, находящихся в согласии с теорией, составляют, во-первых, данные по мно-гочисл. распадам частиц (проверка взаимодействия заряж. тока с W -бозоном); во-вторых, данные по нейтринным реакциям (проверка взаимодействия с Z и W); в-третьих, данные по параметрам самих W- и Z-бозонов: MW = 80,22 b0,18 ГэВ, Г W =2,08 + 0,07 ГэВ; из (7), Г Z =2497,4 b3,8 МэВ. Вероятности распадов W и Z по конкретным каналам, в основном, согласуются с теорией Э. в.

Осн. проблема Э. в., требующая решения,-изучение механизма нарушения исходной инвариантности. Самый прямой путь здесь-поиски хиггсова скаляра. Теория не предсказывает его массу MH, поэтому диапазон поисков очень широк. Активно обсуждается возможность 100 ГэВ < MH <1000 ГэВ, к-рая будет исследована на кол-лайдерах нового поколения (LHC, SSC). Открытие хиггсова скаляра означало бы окончательное подтверждение теории Э. в. в исходной формулировке С. Вайнберга и А. Салама. Другая важная нерешённая проблема - нарушение CP- и T -инвариантностей. Отмечалось, что если в (6) фаза f5121-49.jpg0, p, то инвариантности нарушены. Нельзя утверждать, что совокупность данных по нарушению СР -инвариантности соответствует именно такому варианту. Представляется, что детальное определение параметров матрицы Кабиббо - Кобаяши - Маскава также является одной из центр. проблем Э, в.

Лит.:Weinberg S., A model of leptons, "Phys. Rev. Lett.", 1967, v. 19, p. 1264; Salam А., Weak and electromagnetic interctions, in: Elementary particle physics, Ed. N. Svartholm, Stockh., 1968, p. 367; Аберс E. С., Ли Б. В., Калибровочные теории, в сб.: Квантовая теория калибровочных полей, пер. с англ., M., 1977, с. 241; Окунь Л. Б., Лептоны и кварки, 2 изд., M., 1990; Ченг T.-П., Ли Л.-Ф., Калибровочные теории в физике элементарных частиц, пер. с англ., M., 1987. Б. А. Арбузов.

Физическая энциклопедия. В 5-ти томах. — М.: Советская энциклопедия. . 1988.


.

Смотреть что такое "ЭЛЕКТРОСЛАБОЕ ВЗАИМОДЕЙСТВИЕ" в других словарях:

  • ЭЛЕКТРОСЛАБОЕ ВЗАИМОДЕЙСТВИЕ — единая теория слабого и электромагнитного взаимодействий кварков и лептонов, осуществляемых посредством обмена четырьмя частицами: безмассовыми фотонами (электромагнитное взаимодействие) и тяжелыми промежуточными векторными бозонами (слабое… …   Большой Энциклопедический словарь

  • ЭЛЕКТРОСЛАБОЕ ВЗАИМОДЕЙСТВИЕ — взаимодействие, в котором участвуют (см.) и (см.), излучая и поглощая фотоны млн. тяжёлые промежуточные векторные (см.) W+, W и Z°; описывают калибровочной теорией со спонтанно нарушенной симметрией. Теория даёт объединённое описание (см.) и… …   Большая политехническая энциклопедия

  • Электрослабое взаимодействие — В физике элементарных частиц электрослабое взаимодействие является общим описанием двух из четырёх фундаментальных взаимодействий: слабого взаимодействия и электромагнитного взаимодействия. Хотя эти два взаимодействия очень различаются на обычных …   Википедия

  • электрослабое взаимодействие — единая теория слабого и электромагнитного взаимодействий кварков и лептонов, осуществляемых посредством обмена четырьмя частицами: безмассовыми фотонами (электромагнитное взаимодействие) и тяжёлыми промежуточными векторными бозонами (слабое… …   Энциклопедический словарь

  • Электрослабое взаимодействие — один из вариантов теоретического объединения взаимодействий, породивший так называемое электрослабое взаимодействие гипотетических кварков и реально существующих лептонов, осуществляемое посредством обмена 4 частицами: 1 (одним) фотоном… …   Начала современного естествознания

  • электрослабое взаимодействие — silpnoji elektromagnetinė sąveika statusas T sritis Standartizacija ir metrologija apibrėžtis Visuotinė sąveika, kuri tam tikromis sąlygomis reikštųsi kaip elektromagnetinė arba silpnoji sąveika. atitikmenys: angl. electroweak interaction vok.… …   Penkiakalbis aiškinamasis metrologijos terminų žodynas

  • электрослабое взаимодействие — silpnoji elektromagnetinė sąveika statusas T sritis fizika atitikmenys: angl. electroweak interaction vok. elektroschwache Wechselwirkung, f rus. электрослабое взаимодействие, n pranc. interaction électrofaible, f …   Fizikos terminų žodynas

  • ЭЛЕКТРОСЛАБОЕ ВЗАИМОДЕЙСТВИЕ — единая теория слабого и эл. магн. взаимодействий кварков и лептонов, осуществляемых посредством обмена четырьмя частицами: безмассовыми фотонами (эл. магн. взаимодействие) и тяжёлыми промежуточными векторными бозонами (слабое взаимодействие).… …   Естествознание. Энциклопедический словарь

  • ВЗАИМОДЕЙСТВИЕ — в физике, воздействие тел или ч ц друг на друга, приводящее к изменению состояния их движения. В механике Ньютона взаимное действие тел друг на друга количественно характеризуется силой. Более общей хар кой В. явл. потенц. энергия. Первоначально… …   Физическая энциклопедия

  • взаимодействие —         ВЗАИМОДЕЙСТВИЕ философская категория, отражающая процессы воздействия объектов друг на друга, их взаимную обусловленность и порождение одним объектом другого. В. универсальная форма движения и развития, оно определяет существование и… …   Энциклопедия эпистемологии и философии науки


Поделиться ссылкой на выделенное

Прямая ссылка:
Нажмите правой клавишей мыши и выберите «Копировать ссылку»

We are using cookies for the best presentation of our site. Continuing to use this site, you agree with this.