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在粒子物理學中,電弱交互作用是電磁作用與弱交互作用的統一描述,而這兩種作用都是自然界中四種已知基本力。雖然在日常的低能量情況下,電磁作用與弱作用存在很大的差異,然而在超過統一溫度,即數量級在100 GeV的情況下,這兩種作用力會統合成單一的電弱作用力。因此如果宇宙是足夠的熱(約1015K,在大爆炸發生不久以後溫度才降至比上述低的水平),就只有一種電弱作用力,不會有分開的電磁作用與弱交互作用。
此條目包含過多行話或專業術語,可能需要簡化或提出進一步解釋。 (2017年10月21日) |
由於將基本粒子的電磁作用與弱作用統一的這項貢獻,阿卜杜勒·薩拉姆、謝爾登·格拉肖以及史蒂文·溫伯格獲頒1979年的諾貝爾物理獎[1][2]。電弱交互作用的理論目前經以下兩個實驗證明存在:
數學上統一電磁作用及弱作用是經由一個SU(2)×U(1)的規範群。當中對應的零質量規範玻色子分別是三個來自 SU(2)弱同位旋的W玻色子(
W+
、
W0
和
W−
)以及一個來自U(1)弱超荷的B0玻色子。
在標準模型裡
W±
和
Z0
玻色子和光子是經由SU(2)×U(1)Y的電弱對稱性自發對稱破缺成U(1)em所產生的,此一過程稱作希格斯機制(見希格斯玻色子)[3][4][5][6]。U(1)Y和U(1)em都屬於U(1)群,但兩者不同;U(1)em的生成元是電荷Q=Y/2+I3,而其中Y是U(1)Y(叫弱超荷)的生成元,I3(弱同位旋的一個分量)則是SU(2)的其中一個生成元。
自發對稱破缺使
W0
和B0玻色子組合成兩種不同的玻色子:
Z0
玻色子和光子(γ)。
如下:
其中θW為弱混合角。對稱破缺使得代表粒子的軸在(
W0
, B0)平面上旋轉,其旋轉角為θW(見右圖)。對稱破缺同時使得
Z0
和
W±
的質量變得不一樣(它們的質量分別以MZ和MW表示):
電磁作用與弱力在對稱破缺後變得不同,是因為希格斯玻色子的Y及I3,可以組成一個答案為零的線性組合:U(1)em的定義生成元(電荷)正是這個組合,所以電磁作用不與希格斯場作用,亦因此保留對稱性(光子零質量)。
項描述三種W粒子及一種B粒子的交互作用:
其中 ()及分別為弱同位旋及弱超荷的場強度張量。
為標準模型費米子的動能項。規範玻色子與費米子間的交互作用是由共變導數所描述的。
其中下標代表費米子代,根據愛因斯坦求和約定,各項中重覆的下標會把三代的結果都加起來,而、和分別代表夸克的左手性雙重態、右手性上單重態和右手性下單重態,和則代表輕子的左手性雙重態和右手性電子單重態。注意右手性中微子是不參與弱相互作用的,因此輕子比夸克少一個項。
描述希格斯場F:
負責提供湯川耦合,它會把希格斯場所產生的真空期望值變成質量,
在希格斯玻色子獲得真空期望值後,拉格朗日量
動能項含有拉格朗日量中所有的二次項,當中包括動力項(偏微分)和質量項(明顯地沒有出現於對稱破缺之前的拉格朗日量之中)。
其中總和把理論中費米子(夸克和輕子)的各代都加起來,而場、、及的形式如下:
拉格朗日量中的中性流分量與載荷流分量,就是費米子與規範玻色子間的交互作用。
其中電磁流及中性弱流分別為
及
和分別是費米子的電荷和弱同位旋。
拉格朗日量的載荷流部分如下:
代表希格斯場的三點及四點自身交互作用。
代表規範向量玻色子的希格斯交互作用。
代表規範場的三點自身交互作用。
代表規範場的四點自身交互作用。
而則代表費米子與希格斯場間的湯川交互作用。
注意各個弱耦合裏這個因子:這些因子會把旋量場的左手性分量投映出來。因此(對稱性破缺後的)電弱理論一般由被稱為手徵理論。
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