Teoria oddziaływań elektrosłabych

Teoria oddziaływań elektrosłabych (Teoria Małej Unifikacji) – kwantowa teoria pola opisująca oddziaływania słabe oraz elektromagnetyczne. Zawiera ona w sobie wcześniejszą teorię oddziaływań słabych i elektrodynamikę kwantową.

Teoria oddziaływań elektrosłabych traktuje oddziaływania słabe i elektromagnetyczne jako przejaw jednego oddziaływania elektrosłabego.

Oddziaływaniu elektrosłabemu podlegają wszystkie znane cząstki fermionowe. Przyciąganie, odpychanie i przemiany tych cząstek tłumaczy się wymianą bozonów pośredniczących: Z, W+, W- i fotonu.

Foton (gr. φως – światło, w dopełniaczu – φοτος) jest cząstką elementarną nie posiadającą ładunku elektrycznego ani momentu magnetycznego, o masie spoczynkowej równej zero (m0 = 0), liczbie spinowej s = 1 (fotony są zatem bozonami). Fotony są nośnikami oddziaływań elektromagnetycznych, a ponieważ wykazują dualizm korpuskularno-falowy są równocześnie falą elektromagnetyczną.

Sheldon Lee Glashow (ur. 5 grudnia 1932 w Nowym Jorku) - amerykański fizyk teoretyczny, laureat Nagrody Nobla z dziedziny fizyki w roku 1979 za wkład w rozwój teorii oddziaływania słabego.

Według obecnej wiedzy, we wczesnych epokach Wszechświata istniała pełna symetria między oddziaływaniami słabymi i elektromagnetycznymi. Symetria ta została później złamana, w wyniku czego mamy obecnie dwa oddziaływania. Łamaniem symetrii tłumaczy się także różnicę mas pomiędzy bozonem Z a fotonem.

Kwark – cząstka elementarna, fermion, posiadający ładunek koloru (czyli podlegający oddziaływaniom silnym). Według obecnej wiedzy cząstki elementarne będące składnikami materii można podzielić na dwie grupy. Pierwszą grupę stanowią kwarki, drugą grupą są leptony. Każda z tych grup zawiera po sześć cząstek oraz ich antycząstki. Istnieje więc sześć rodzajów kwarków oraz odpowiednio sześć rodzajów ich antycząstek – antykwarków.

Lepton (z gr. leptós - lekki, drobny) to grupa 12 cząstek elementarnych (6 cząstek i 6 antycząstek). Zaliczają się do niej: elektron, mion, taon, neutrino elektronowe, neutrino mionowe, neutrino taonowe oraz odpowiadające im antycząstki: pozyton (antyelektron), antymion, antytaon i antyneutrina. Ostatnim odkrytym (2000) leptonem było neutrino taonowe. Wszystkie leptony, z wyjątkiem neutrin i antyneutrin, posiadają ładunek ujemny (dla cząstek, np. elektronów) lub dodatni (dla antycząstek, np. pozytonów). Natomiast neutrina i antyneutrina posiadają ładunek zerowy.

Teoria oddziaływań elektrosłabych jest grupa abelową (przemienną) teorią z cechowaniem o złamanej symetrii. Grupą cechowania jest grupa SU(2)xU(1). Chociaż oddziaływania słabe opisuje grupa SU(2) a elektromagnetyzm grupa U(1), to nie należy traktować grupy symetrii oddziaływania elektrosłabego jako prostego iloczynu tych grup. W rzeczywistości część SU(2) opisuje zarówno elektromagnetyzm i oddziaływanie słabe a część U(1) służy odróżnieniu leptonów od kwarków. Ładunek oddziaływania elektromagnetycznego nazywamy ładunkiem elektrycznym (Q), ładunek oddziaływania słabego nazywamy ładunkiem słabym, ładunek opisywany przez część SU(2) grupy symetrii oddziaływań elektrosłabych nazywamy izospinem (I) a ładunek opisywany przez część U(1) – hiperładunkiem (Y). Wielkości te wiąże zależność: Q = I3 + Y/2

Bozon Z (zeton) – cząstka elementarna pośrednicząca w oddziaływaniach słabych, wymieniana przez np. elektrony czy neutrina i inne cząstki oddziałujące oddziaływaniem słabym podczas zderzeń. Jest obojętny elektrycznie. Jej istnienie przewidziała teoria oddziaływań słabych. Bozon Z jest równocześnie swoją antycząstką. Okres półtrwania wynosi 3,20·10-25 sekundy.

Spontaniczne złamanie symetrii - zjawisko fizyczne zachodzące wówczas, gdy stan podstawowy układu fizycznego ma niższą symetrię (opisaną podgrupą G0 grupy G ) niż symetria układu fizycznego (opisana grupą G).

Teorię oddziaływań elektrosłabych stworzyli: Sheldon Glashow, Abdus Salam i Steven Weinberg, za co otrzymali Nagrodę Nobla w dziedzinie fizyki w 1979.

Struktura matematyczna

Oddziaływanie elektrosłabe pod nieobecność i w obecności pól Higgsa

Model przewiduje istnienie czterech bezmasowych bozonów pośredniczących, trzy z nich oznaczone przez $\mathbf{W}_\mu = [W_\mu^{(1)},W_\mu^{(2)},W_\mu^{(3)}]$ , są składowymi trypletu I = 1 grupy SU(2), czwarty $\mathbf{B}_\mu$ , jest izoskalarem I = 0 transformującym się względem grupy U(1) słabego hiperładunku. Aby nadać bozonom pośredniczącym masy, bez jednoczesnego naruszenia renormalizowalności teorii, wprowadzono mechanizm spontanicznego łamania symetrii, poprzez dublet pól zespolonych (czterech pól rzeczywistych) z I = 1/2, nazwanych skalarami Higgsa, które generują masy cząstek poprzez samooddziaływanie.

Teoria Fermiego, to teoria oddziaływań słabych stworzona w 1932 roku przez Enrico Fermiego w celu wyjaśnienia rozpadu beta. Postulowała istnienie bozonu W przenoszącego siły i powodującego przemiany cząstek. Teoria ta naruszała symetrię względem odbić przestrzennych i z tego względu oddziaływanie słabe było zwane chiralnym: cząstki prawoskrętne oddziaływały inaczej niż lewoskrętne.

Ładunek elektryczny ciała (lub układu ciał) – fundamentalna własność materii przejawiająca się w oddziaływaniu elektromagnetycznym ciał obdarzonych tym ładunkiem. Ciała obdarzone ładunkiem mają zdolność wytwarzania pola elektromagnetycznego oraz oddziaływania z tym polem. Oddziaływanie ładunku z polem elektromagnetycznym jest określone przez siłę Lorentza i jest jednym z oddziaływań podstawowych.

Pola masowych bozonów oznaczamy odpowiednio $W^+_\mu,W^-_\mu,Z^0_\mu$ , bozon oznaczony jako $A^{\ }_\mu$ pozostaje bezmasowy i odpowiada fotonowi.

Dla bozonów naładowanych: $W^{\pm}_\mu = \frac{1}{\sqrt{2}}(W_\mu^{(1)}\pm W_\mu^{(2)})$

dla bozonow neutralnych: $Z^0_\mu = W_\mu^{(3)} \cos\Theta_W - B_\mu \sin\Theta_W$ $A^{\ }_\mu = W_\mu^{(3)} \sin\Theta_W + B_\mu \cos\Theta_W$

Kąt $\Theta_W$ nazywa się kątem mieszania oddziaływań słabych (kąt Weinberga). Wartość tego kąta należy wyznaczyć doświadczalnie, co jest jednym ze słabych punktów modelu standardowego.

Bibliografia

Donald H. Perkins, Wstęp do fizyki wysokich energii, 2004, ISBN 83-01-14246-4.